世界首个单光子量子存储器在中国诞生 中科大实现光子轨道角动量的量子存储

　　中国科技技术大学网站9日消息，世界上首个可以存储单光子形状的量子存储器在中国诞生，最新成果在线发表于《自然•通讯》上。这项成果将巩固我国在量子通信技术领域的世界领先地位。

　　中科大实现光子轨道角动量的量子存储

　　中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得重要进展：该实验室史保森教授领导的研究小组在国际上首次实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系统中的存储与释放，证明了建立高维量子存储单元的可行性，迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步。这项研究成果在线发表在《自然•通讯》上。该研究得到国家自然科学基金委、中科院和科技部的支持。

　　量子通信系统中作为载体的单光子所携带的信息量的大小与所处编码的空间维数有关。目前光子主要编码在一个二维空间，因而一个光子携带的信息量是一个比特。如果能将光子编码在一个高维空间（如轨道角动量空间），则单个光子所能携带的信息量将大幅度增加，极大地提高量子通信的效率。此外，利用光子的高维编码态还可以提高量子密钥传输的安全性，并且在量子力学的一些基本问题的研究方面也有非常重要的应用。

　　

　　我国在量子通信领域处于世界领先水平

　　远距离量子通信的实现和量子网络的构成必须借助于量子中继器，而量子存储单元是构成量子中继器的核心，实现光子携带信息在存储单元中的存储与释放是实现中继功能的关键。虽然这方面的研究已取得重大进展，但到目前为止实验存储的单光子均为高斯脉冲，且被编码于二维空间，只能实现一个比特的存储。因而，能否实现编码于高维空间光子的量子存储是提高量子通信效率、构建基于高维中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键。

　　尽管人们已成功实现携带高维空间信息的光脉冲在不同存储体系中的存储，但到目前为止，所有光脉冲均为经典强光或衰减的弱相干光，能否实现和如何实现在单光子条件下高维量子态的存储仍然是量子信息领域中一个急待解决的热点问题。

　　史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解决以上问题，并在具有空间结构的光脉冲存储方面取得了系列进展。最近他们首次成功地实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储与释放，证明了高维量子态的存储是完全可行的。该小组通过两个磁光阱制备了两个冷原子团，利用其中一个冷原子团通过非线性过程制备标记单光子，并通过螺旋相位片使该光子携带一定的轨道角动量，具有特殊的空间结构。而后利用电磁诱导透明效应将其存储于另一个作为存储介质的冷原子团中，实验结果清楚地证明了单光子携带的轨道角动量可以高保真地被存储。

　　同时该小组借助于精心设计的Sagnac干涉仪，通过量子层析技术和干涉技术成功地证明了单光子轨道角动量的叠加性也可以在存储过程中很好地保持，而态的叠加特性是量子信息之所以不同于经典信息的根本之处。

　　该研究成果在正式发表前曾提交到学术网站arxiv，立刻引起人们的广泛关注，MIT的TechnologyReview网站以“第一个存储单光子形状的量子存储器在中国揭开面纱”为题进行了积极评价。随后多家网站进行了转载和评述。《自然•通讯》审稿人指出：“这是一项令人印象非常深刻的工作，它为快速发展的量子存储研究制定了一个非常高的标准。事实上作者可以将这项工作分成两篇论文，但作者将这项工作中所展示的单光子的产生、存储、释放及轨道角动量的操控等方面的技术能力结合在一起，代表了量子技术发展中一个令人激动的分水岭。这项工作将在量子信息和量子原子光学领域产生重大影响。”

　　固态量子存储器保真度世界纪录刷新

　　去年5月，中科院院士、中科大教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组在固态系统中首次实现单光子偏振态的量子存储器，保真度达99.9%，刷新世界纪录。研究成果日前发表在美国《物理评论快报》上，并被美国物理学会网站“物理概要”栏目作亮点报道。

　　量子存储器是量子信息领域的核心器件之一，是量子隐形传态、量子密集编码等基本量子信息过程的必需元件。同时，它还可用来实现量子中继，以解决远程量子通信中的信息损耗问题，以及用于分布式量子计算、量子精密测量等。

　　国际上常用的量子存储器，如冷原子、玻色—爱因斯坦凝聚等，存在带宽窄和扩展性差等缺点，难以应用于实用化的量子网络。近几年兴起的基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器，具有寿命长、稳定性高、带宽较宽、扩展性强等优点。但由于这种晶体有双折射效应，不能用光的偏振状态（光波的振动状态）来加载信息，而光的各种偏振态是量子信息最方便的载体，因此，怎样实现光子偏振态的固态量子存储器是国际学术界一大难题。

　　李传锋小组利用两块1.4毫米厚的掺钕钒酸钇晶体，分别处理光的两种正交偏振态，同时把一片特殊设计的光学元件（波片）置于两块晶体之间，来实现这两种偏振态的互换。整个量子存储器就像一片很小的“三明治”，紧凑而稳定，扩展和集成都十分方便。

　　在实验中，他们摈弃了传统的固态量子存储方案中使用的“共线式”光路，设计出交叉式光路，使得预处理用的泵浦光与待存储的光不再重合，降低了泵浦光带来的噪声，从而极大地提高了存储器的保真度，可达99.9%，远高于此前单光子偏振存储95%的最高保真度。审稿人称赞其“新颖地解决了在固态器件中存储偏振比特的重要问题”。

　　李传锋说，该成果对进一步提高实用化量子通信网络元件的小型化和集成化具有重要意义。同时，该超高保真度量子存储可应用于容错量子计算等具有苛刻要求的研究领域。

　　

　　量子通信：

　　量子通信技术是量子力学与传统信息科学结合的产物，目前，主要利用光在微观世界中的量子特性，通过单个光子或纠缠光子传输“0”和“1”的数字信息来实现信息的高速传递，从理论上说可以传输超大容量的信息，且能够用于开发用经典手段无法破译的密码。由于光子在传输过程中会发生衰减，在实际应用中实现远距离的光纤量子保密通信难度很大，目前量子密码在光纤中的最大传输距离只有200公里左右。不过，最新的研究表明，利用通信卫星和自由空间纠缠光子分发，很有希望实现更远距离乃至全球化的量子通信网络。

　　量子保密通信技术基于量子力学原理，能确保两地之间密钥分配的绝对安全性，从而保证通信的绝对安全。量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍；而量子信号的绝对安全的路由问题则是实现量子通信网络的主要难题。因此，从根本上解决光纤传输的稳定性问题和光纤网络的量子路由问题一直是国际学术界的两大研究热点和难题。中国科学家目前在此领域已经成功实现商业应用，领先世界。

　　 

　　 

　　 

　　科技人物：

　　郭光灿

　　

　　郭光灿院士

　　郭光灿教授，1942年生于福建惠安。1965年毕业于中国科学技术大学无线电电子学系并留校任教。现任中国科学技术大学教授、中国科学院量子信息重点实验室主任。2003年当选中国科学院院士。

　　郭光灿是中科院方向性项目首席专家，国家科技部973项目“量子通信和量子信息技术”的首席科学家。主要从事量子光学、量子密码、量子通信和量子计算的理论和实验研究。

　　郭光灿院士提出概率量子克隆原理， 推导出最大克隆效率，在实验上研制成功概率量子克隆机和普适量子克隆机。发现在环境作用下不会消相干的"相干保持态"，提出量子避错编码原理，被实验证实。提出一种新型可望实用的量子处理器，被实验证实。在实验上实现远距离的量子密钥传输，建立基于量子密码的保密通信系统，并提出"信道加密"的新方案，有其独特的安全保密优点。在实验上验证了K-S理论，有力地支持了量子力学理论。发现奇偶相干态的奇异特性等。

　　两项原创性的应用基础研究成果：“概率量子克隆”和“量子避错编码”。前者为解决量子信息领域的难题即信息提取问题提供了有效方法，被国际学术界称为 “段－郭概率量子克隆机”“段－郭界限”，同时在实验上研制成功量子克隆机，被认为是“该领域最激动人心的进展之一”；后一成果为克服量子信息技术实际应 用的主要障碍即消相干问题提供新的方法，成为学术界公认的三种不同原理编码之一，并被美国若干著名实验室在实验上所证实。

　　完成14.8公里光纤量子密钥的实验，在3.2公里的中科大东西校区之间通过地下光缆建立了国内第一条基于量子密码的保密通信线路，为量子通信走向实用迈出可喜的一步。

　　提出“实用量子处理器”和“信道加密”两个新的实施方案，前者已被法国学者在实验上所证实，被认为是可实用化的器件，后者是与现有所有量子密码方案不同的新方案，有其独特优点，被国际同行详细推广引用。

　　史保森

　　

　　史保森教授

　　史保森教授1998年毕业于中国科技大学物理系，获博士学位，导师郭光灿院士。1998年留校任教。1998-2000年任讲师，2001年任副教授。2007年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。同年被聘为教授。1998年起在学校“211”工程的支持下负责筹建非线性光学实验室，并在此基础上建立量子信息实验室。所领导小组在国内率先制备了脉冲纠缠光子对。

　　2001年4月- 2004年11月作为日本科学技术振兴事业机构研究员，在日本NEC基础研究所从事量子光学, 非线性光学和量子信息的理论和实验研究。并于2005年两次受邀在日本短期访问。2004年11月回国后从事基于原子系综的量子信息及腔内参量过程的实验研究，并在此两方面均取得较大进展。目前主要从事基于原子体系的量子信息研究，以及基于腔内非线性频率变换的量子光学和量子信息研究。

　　李传锋

　　

　　李传锋教授

　　李传锋教授1990年进入中国科学技术大学物理系读本科与研究生，师从郭光灿院士，1999年博士毕业后留校任教。现为中国科学技术大学光学与光学工程系和中科院量子信息重点实验室教授。

　　李传锋主要从事量子光学、量子信息、低维固态量子系统等的理论与实验研究，期望能够建立一套有特色的量子纠缠网络并利用所发展的量子信息技术探索量子物理。

　　李传锋主要成果有：实验验证纠缠辅助的熵的不确定关系；研究了纠缠与关联动力学，发现量子关联可以不被环境所破坏并验证量子关联的突变现象，论文入选ESI Hot Paper；制备出八光子纠缠态，并完成八方量子通讯复杂度实验，研究成果入选2011年度中国十大科技新闻；实验实现量子开放系统的环境控制，观测到了马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变现象；实现了光子偏振态的固态量子存储，保真度达到99.9%，是目前所有量子存储器中保真度最高的；实现量子的惠勒延迟选择实验，制备出了波与粒子的叠加状态，丰富了人们对玻尔互补原理的理解