中國科大實現基于拉曼過程的光子混合糾纏態的量子存儲

　　中國科學技術大學教授、中科院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在量子信息領域取得重要進展：該實驗室教授史保森領導的小組利用拉曼存儲協議在國際上首次實現了光子偏振糾纏態以及由光子偏振和路徑不同自由度組成的混合糾纏態的量子存儲。該工作對未來實現高速、寬帶量子通信具有重要意義。這項研究成果于3月30日發表在《自然·光子學》上。

　　光量子糾纏是實現可擴展的線性量子計算和構建量子通信網絡的核心量子資源，而光量子糾纏的存儲則是實現量子計算和量子網絡通信的關鍵技術之一。實現寬帶、高速的信息傳輸和處理是所有通信系統追求的目標，量子通信也不例外，因而寬帶光子糾纏態的存儲自然成為構建高速量子網絡的基礎，也是量子信息技術走向實用化和普及化必須解決的關鍵技術之一。此外，一個光子擁有多種自由度，比如偏振、路徑以及軌道角動量等。寬帶多自由度光量子混合糾纏態的存儲也是實現高速量子網絡的關鍵技術之一。

　　實現量子存儲的方案有很多種。在眾多方案中，拉曼存儲協議相比于其它方案如電磁誘導透明協議等具有很多優點，如可以實現寬帶信號存儲、存儲信號的頻率具有可調性等。由于該協議具備實現寬帶、高速信息處理的潛力，因而成為近年來量子存儲研究領域的一個熱點方向。盡管科研人員已在固體、原子氣體以及分子氣體等系統成功地實現了基于拉曼協議的光信息存儲，但迄今為止所有光脈沖均為經典強光或衰減的弱相干光，尚無任何偏振糾纏光子的量子存儲報道。

　　史保森領導的研究小組長期從事量子存儲的相關實驗研究，在光量子存儲方面積累豐富的實踐經驗。該小組在2013年首次成功實現了單光子偏振和軌道角動量混合糾纏的量子存儲[Nat. Commun. 4,2527(2013)]，隨后又首次實現了光子軌道角動量糾纏的量子存儲[Phy. Rev. Lett.114, 050502 (2015)]，最近該小組又在這個領域取得重要突破：他們利用冷原子系統作為存儲介質，借助于巧妙設計的Sagnac干涉儀，在國際上首次利用拉曼存儲協議分別成功地實現了單光子的路徑和偏振混合糾纏態以及雙光子偏振糾纏態的量子存儲，所有實驗數據均清晰地證明了偏振糾纏的高保真存儲。《自然﹒光子學》審稿人認為：“這是該領域第一個標志性成果, 為該熱點研究領域建立了一個基準點。”它的實現無疑為未來構建基于光纖系統的高速量子網絡以及高速線性量子計算奠定堅實基礎。

　　博士生丁冬生和張偉是論文的共同第一作者。這項工作得到國家基金委、中科院、科技部和教育部的資助。

實驗裝置圖