中國科大首次實現光子軌道角動量糾纏的量子存儲

發布時間：2015-02-10 10:24 原文鏈接：中國科大首次實現光子軌道角動量糾纏的量子存儲

　　近日，中國科學技術大學中國科學院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在高維量子中繼研究方向上再次取得新進展：該實驗室史保森小組在國際上首次實現了光子軌道角動量糾纏的量子存儲，進一步證明了基于高維量子中繼器實現遠距離大信息量量子信息傳輸的可行性。這項研究成果發表在2月4日的《物理評論快報》上。

　　光子的軌道角動量產生于電磁波的螺旋相位面，最常見的攜帶軌道角動量的光是Laguerre-Gaussian模式光。這種光的波前是一個螺旋面，圍繞中心的奇點，光的位相是不斷增加的，同時光強也具有特殊的空間分布，不同的軌道角動量對應著不同的光強空間分布，可以構成一個無限維的完備的Hilbert空間。將光子編碼在軌道角動量空間可以大幅度增加光子的信息攜帶量。此外，利用光子的高維編碼態還可以提高量子密鑰傳輸的安全性，實現諸如量子全息隱形傳態、量子鏡像密集編碼、全息量子計算等量子信息協議，還可以應用于量子力學基本問題的研究。遠距離量子通信的實現必須借助于一系列的量子中繼器，其中量子存儲單元是構成量子中繼器的核心。通過在相鄰存儲單元之間建立量子糾纏，利用量子糾纏交換技術就可以實現量子中繼，進而拓展信息傳輸的距離。因此實現大信息量、長距離的量子信息傳輸首先必須解決的關鍵問題就是量子高維糾纏的存儲。盡管人們已成功實現了攜帶軌道角動量信息的單光子存儲，但到目前為止有關軌道角動量糾纏存儲方面的研究仍然是一片空白，是量子信息領域中的一個熱點研究領域。

　　近年來史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于攜帶軌道角動量光子的存儲研究。繼2013年在國際上首次實現攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖的存儲后（Nat. Commun. 4, 2527(2013))，最近他們又在該研究方向取得重要進展：首次實現了光子軌道角動量糾纏在兩個存儲單元之間的存儲。該小組利用兩個磁光阱制備了兩個冷原子團，在其中一個冷原子團采用自發Raman過程制備了單光子與原子系綜之間的糾纏。而后利用Raman存儲協議將該光子存儲于另一個作為存儲介質的冷原子團中，從而實現了軌道角動量糾纏在兩個原子系綜之間的存儲。為了檢驗糾纏特性，他們將原子系綜之間的糾纏轉移到光子之間。利用量子層析技術重構了糾纏態的密度矩陣，通過計算存儲保真度、驗證雙光子CHSH不等式和檢驗雙光子干涉可視度來表征糾纏程度。實驗結果清晰地表明軌道角動量糾纏可以被高保真地存儲。這項工作對實現高維量子中繼和遠距離大信息量量子信息傳輸具有重要意義。

　　這項工作得到國家基金委、中科院、科技部和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。