世界首個單光子量子存儲器在中國誕生 中科大實現光子軌道角動量的量子存儲

中國科技技術大學網站9日消息，世界上首個可以存儲單光子形狀的量子存儲器在中國誕生，最新成果在線發表於《自然•通訊》上。這項成果將鞏固我國在量子通信技術領域的世界領先地位。

中科大實現光子軌道角動量的量子存儲

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在高維量子信息存儲方面取得重要進展：該實驗室史保森教授領導的研究小組在國際上首次實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈衝在冷原子系統中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，邁出了基於高維量子中繼器實現遠距離大信息量量子信息傳輸的關鍵一步。這項研究成果在線發表在《自然•通訊》上。該研究得到國家自然科學基金委、中科院和科技部的支持。

量子通信系統中作為載體的單光子所攜帶的信息量的大小與所處編碼的空間維數有關。目前光子主要編碼在一個二維空間，因而一個光子攜帶的信息量是一個比特。如果能將光子編碼在一個高維空間（如軌道角動量空間），則單個光子所能攜帶的信息量將大幅度增加，極大地提高量子通信的效率。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，並且在量子力學的一些基本問題的研究方面也有非常重要的應用。

我國在量子通信領域處於世界領先水平

遠距離量子通信的實現和量子網絡的構成必須藉助於量子中繼器，而量子存儲單元是構成量子中繼器的核心，實現光子攜帶信息在存儲單元中的存儲與釋放是實現中繼功能的關鍵。雖然這方面的研究已取得重大進展，但到目前為止實驗存儲的單光子均為高斯脈衝，且被編碼於二維空間，只能實現一個比特的存儲。因而，能否實現編碼於高維空間光子的量子存儲是提高量子通信效率、構建基於高維中繼器的遠距離量子通信系統和量子網絡的關鍵。

儘管人們已成功實現攜帶高維空間信息的光脈衝在不同存儲體系中的存儲，但到目前為止，所有光脈衝均為經典強光或衰減的弱相干光，能否實現和如何實現在單光子條件下高維量子態的存儲仍然是量子信息領域中一個急待解決的熱點問題。

史保森教授和博士生丁冬生等一直致力於解決以上問題，並在具有空間結構的光脈衝存儲方面取得了系列進展。最近他們首次成功地實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈衝的存儲與釋放，證明了高維量子態的存儲是完全可行的。該小組通過兩個磁光阱製備了兩個冷原子團，利用其中一個冷原子團通過非線性過程製備標記單光子，並通過螺旋相位片使該光子攜帶一定的軌道角動量，具有特殊的空間結構。而後利用電磁誘導透明效應將其存儲於另一個作為存儲介質的冷原子團中，實驗結果清楚地證明了單光子攜帶的軌道角動量可以高保真地被存儲。

同時該小組藉助於精心設計的Sagnac干涉儀，通過量子層析技術和干涉技術成功地證明了單光子軌道角動量的疊加性也可以在存儲過程中很好地保持，而態的疊加特性是量子信息之所以不同於經典信息的根本之處。

該研究成果在正式發表前曾提交到學術網站arxiv，立刻引起人們的廣泛關注，MIT的TechnologyReview網站以“第一個存儲單光子形狀的量子存儲器在中國揭開面紗”為題進行了積極評價。隨後多家網站進行了轉載和評述。《自然•通訊》審稿人指出：“這是一項令人印象非常深刻的工作，它為快速發展的量子存儲研究制定了一個非常高的標準。事實上作者可以將這項工作分成兩篇論文，但作者將這項工作中所展示的單光子的產生、存儲、釋放及軌道角動量的操控等方面的技術能力結合在一起，代表了量子技術發展中一個令人激動的分水嶺。這項工作將在量子信息和量子原子光學領域產生重大影響。”

固態量子存儲器保真度世界紀錄刷新

去年5月，中科院院士、中科大教授郭光燦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首次實現單光子偏振態的量子存儲器，保真度達99.9%，刷新世界紀錄。研究成果日前發表在美國《物理評論快報》上，並被美國物理學會網站“物理概要”欄目作亮點報道。

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，以解決遠程量子通信中的信息損耗問題，以及用於分佈式量子計算、量子精密測量等。

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，難以應用於實用化的量子網絡。近幾年興起的基於稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲器，具有壽命長、穩定性高、帶寬較寬、擴展性強等優點。但由於這種晶體有雙折射效應，不能用光的偏振狀態（光波的振動狀態）來加載信息，而光的各種偏振態是量子信息最方便的載體，因此，怎樣實現光子偏振態的固態量子存儲器是國際學術界一大難題。

李傳鋒小組利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態，同時把一片特殊設計的光學元件（波片）置於兩塊晶體之間，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，擴展和集成都十分方便。

在實驗中，他們擯棄了傳統的固態量子存儲方案中使用的“共線式”光路，設計出交叉式光路，使得預處理用的泵浦光與待存儲的光不再重合，降低了泵浦光帶來的噪聲，從而極大地提高了存儲器的保真度，可達99.9%，遠高於此前單光子偏振存儲95%的最高保真度。審稿人稱讚其“新穎地解決了在固態器件中存儲偏振比特的重要問題”。

李傳鋒説，該成果對進一步提高實用化量子通信網絡元件的小型化和集成化具有重要意義。同時，該超高保真度量子存儲可應用於容錯量子計算等具有苛刻要求的研究領域。

量子通信：

量子通信技術是量子力學與傳統信息科學結合的產物，目前，主要利用光在微觀世界中的量子特性，通過單個光子或糾纏光子傳輸“0”和“1”的數字信息來實現信息的高速傳遞，從理論上説可以傳輸超大容量的信息，且能夠用於開發用經典手段無法破譯的密碼。由於光子在傳輸過程中會發生衰減，在實際應用中實現遠距離的光纖量子保密通信難度很大，目前量子密碼在光纖中的最大傳輸距離只有200公里左右。不過，最新的研究表明，利用通信衞星和自由空間糾纏光子分發，很有希望實現更遠距離乃至全球化的量子通信網絡。

量子保密通信技術基於量子力學原理，能確保兩地之間密鑰分配的絕對安全性，從而保證通信的絕對安全。量子信號在商用光纖上傳輸的不穩定性是量子保密通信技術實用化的主要技術障礙；而量子信號的絕對安全的路由問題則是實現量子通信網絡的主要難題。因此，從根本上解決光纖傳輸的穩定性問題和光纖網絡的量子路由問題一直是國際學術界的兩大研究熱點和難題。中國科學家目前在此領域已經成功實現商業應用，領先世界。

 

   

科技人物：

郭光燦

郭光燦院士

郭光燦教授，1942年生於福建惠安。1965年畢業於中國科學技術大學無線電電子學系並留校任教。現任中國科學技術大學教授、中國科學院量子信息重點實驗室主任。2003年當選中國科學院院士。

郭光燦是中科院方向性項目首席專家，國家科技部973項目“量子通信和量子信息技術”的首席科學家。主要從事量子光學、量子密碼、量子通信和量子計算的理論和實驗研究。

郭光燦院士提出概率量子克隆原理， 推導出最大克隆效率，在實驗上研製成功概率量子克隆機和普適量子克隆機。發現在環境作用下不會消相干的"相干保持態"，提出量子避錯編碼原理，被實驗證實。提出一種新型可望實用的量子處理器，被實驗證實。在實驗上實現遠距離的量子密鑰傳輸，建立基於量子密碼的保密通信系統，並提出"信道加密"的新方案，有其獨特的安全保密優點。在實驗上驗證了K-S理論，有力地支持了量子力學理論。發現奇偶相干態的奇異特性等。

兩項原創性的應用基礎研究成果：“概率量子克隆”和“量子避錯編碼”。前者為解決量子信息領域的難題即信息提取問題提供了有效方法，被國際學術界稱為 “段－郭概率量子克隆機”“段－郭界限”，同時在實驗上研製成功量子克隆機，被認為是“該領域最激動人心的進展之一”；後一成果為克服量子信息技術實際應 用的主要障礙即消相干問題提供新的方法，成為學術界公認的三種不同原理編碼之一，並被美國若干著名實驗室在實驗上所證實。

完成14.8公里光纖量子密鑰的實驗，在3.2公里的中科大東西校區之間通過地下光纜建立了國內第一條基於量子密碼的保密通信線路，為量子通信走向實用邁出可喜的一步。

提出“實用量子處理器”和“信道加密”兩個新的實施方案，前者已被法國學者在實驗上所證實，被認為是可實用化的器件，後者是與現有所有量子密碼方案不同的新方案，有其獨特優點，被國際同行詳細推廣引用。

史保森

史保森教授

史保森教授1998年畢業於中國科技大學物理系，獲博士學位，導師郭光燦院士。1998年留校任教。1998-2000年任講師，2001年任副教授。2007年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”。同年被聘為教授。1998年起在學校“211”工程的支持下負責籌建非線性光學實驗室，並在此基礎上建立量子信息實驗室。所領導小組在國內率先製備了脈衝糾纏光子對。

2001年4月- 2004年11月作為日本科學技術振興事業機構研究員，在日本NEC基礎研究所從事量子光學, 非線性光學和量子信息的理論和實驗研究。並於2005年兩次受邀在日本短期訪問。2004年11月回國後從事基於原子系綜的量子信息及腔內參量過程的實驗研究，並在此兩方面均取得較大進展。目前主要從事基於原子體系的量子信息研究，以及基於腔內非線性頻率變換的量子光學和量子信息研究。

李傳鋒

李傳鋒教授

李傳鋒教授1990年進入中國科學技術大學物理系讀本科與研究生，師從郭光燦院士，1999年博士畢業後留校任教。現為中國科學技術大學光學與光學工程系和中科院量子信息重點實驗室教授。

李傳鋒主要從事量子光學、量子信息、低維固態量子系統等的理論與實驗研究，期望能夠建立一套有特色的量子糾纏網絡並利用所發展的量子信息技術探索量子物理。

李傳鋒主要成果有：實驗驗證糾纏輔助的熵的不確定關係；研究了糾纏與關聯動力學，發現量子關聯可以不被環境所破壞並驗證量子關聯的突變現象，論文入選ESI Hot Paper；製備出八光子糾纏態，並完成八方量子通訊複雜度實驗，研究成果入選2011年度中國十大科技新聞；實驗實現量子開放系統的環境控制，觀測到了馬爾科夫環境到非馬爾科夫環境的突變現象；實現了光子偏振態的固態量子存儲，保真度達到99.9%，是目前所有量子存儲器中保真度最高的；實現量子的惠勒延遲選擇實驗，製備出了波與粒子的疊加狀態，豐富了人們對玻爾互補原理的理解