中国科大在国际上首次实现高维量子纠缠态的固态存储

黄河长江

郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在国际上率先研制成功高维固态量子存储器。该实验室李传锋研究组在固态系统中首次实现对三维量子纠缠态的量子存储，保真度高达99.1%，存储带宽达1GHz，存储效率为20%，并实验证明该存储器具有高达51维量子态的存储能力。研究成果发表在8月13日的《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 115, 070502 (2015)]。



远程量子纠缠是实现长程量子通信、分布式量子计算及量子精密计量等的核心资源。但由于光子在光纤中随距离指数损耗，量子纠缠分配的距离被限制在百公里量级。理论上可以基于纠缠光子的量子存储及纠缠交换技术构建量子中继，从而建立千公里量级的量子网络。然而受限于光源、存储器及探测器的效率等因素，其预期传输速率非常低。提升其传输速率的重要手段有两种，即对量子态进行高维编码，或者使用多模式量子存储器。目前国际上仅实现了两维纠缠的固态量子存储，并仅在时间域和频率域实现多模式存储。



李传锋研究组2012年建立我国首个固态量子存储研究平台，并在国际上率先实现了光子偏振态的两维固态量子存储[PRL 108, 190505]，99.9%的保真度创造世界最高水平。近两年在国家重大仪器专项支持下，研究组通过优化稀土掺杂晶体样品设计及泵浦技术等极大地提升了存储器指标，存储带宽由100MHz提升至1GHz，同时存储效率由5%提升至20%，最终顺利实现了高维纠缠态的量子存储。研究组利用光的轨道角动量进行编码，首次研制出基于参量下转换的窄带高维纠缠光源，然后把此纠缠源存入固态量子存储器中，结果表明三维纠缠态的存储保真度达到99.1%。







研究组进一步分析该量子存储的高维特性，结果表明在51维的态空间中量子存储效果仍然非常好。高维轨道角动量存储技术可用于存储器的空间域复用以提升量子网络的传输效率及未来量子U盘的存储容量。本研究进展使得同时使用时间、频率及空间的并行复用成为可能，这种新颖的量子存储器容量有望超过一百万个量子比特。本成果为固态量子存储器的集成化、规模化应用打下重要基础。



这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和教育部的资助。