中國科大實現世界最高保真度的固態量子存儲器

　　近日，中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組，在固態系統中實現了目前世界上最高保真度的量子存儲器，保真度高達99.9%。研究成果發表在5月11日出版的美國《物理評論快報》上，并被美國物理學會網站Physics Synopsis欄目作為亮點報道。

　　量子存儲器是量子信息領域的核心器件之一，是量子隱形傳態、量子密集編碼等基本量子信息過程的必需元件。同時，它還可用來實現量子中繼，以解決遠程量子通訊中的信息損耗問題，以及用于分布式量子計算、量子精密測量等方面。

　　國際上常用的量子存儲器，如冷原子、玻色-愛因斯坦凝聚等，存在帶寬窄和擴展性差等缺點，難以應用于實用化的量子網絡。近幾年興起的基于稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲器件雖然具有壽命長、穩定性高、帶寬較寬且擴展性強等諸多優點，在諸多性能指標上已超越其他量子存儲器，但由于稀土離子摻雜晶體只對某一偏振態的光起作用，已研制出的固態量子存儲器都是針對單一偏振態的。在實際應用中，光的各種偏振態是量子信息最方便的載體，怎樣實現光子偏振態的固態量子存儲器成為國際學術界亟需解決的難題。

　　李傳鋒研究組利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體（一種性能優良的激光晶體），分別處理光的兩種正交偏振態，同時把一片特殊設計的半波片置于兩塊晶體之間，來實現這兩種偏振態的互換。整個量子存儲器就像一片很小的“三明治”，緊湊而穩定，便于擴展和集成。

　　在實驗中，他們摒棄了傳統的固態量子存儲方案中使用的共線式光路設計，設計出了交叉式光路，使得預處理用的泵浦光與待存儲的光不再重合，從而降低了泵浦光帶來的噪聲，極大地提高了存儲器的保真度。他們利用量子過程層析技術分析驗證該存儲器的保真度可達99.9%，遠高于此前單光子偏振存儲95%的最高保真度，是當前國際上各種量子存儲器中保真度最高的。審稿人稱贊說：“本工作新穎地解決了在固態器件中存儲偏振比特的重要問題”。

　　該研究首次實現了光子偏振態的固態量子存儲，對進一步提高量子通信網絡、分布式量子計算網絡等元件的小型化和集成化具有重要意義。同時，此超高保真度量子存儲可應用于容錯量子計算等具有苛刻要求的研究領域。

該項研究受到科技部和國家自然科學基金委的資助。