我國首次實現百毫秒量子存儲器 《自然》：非凡絕技

中國科學技術大學潘建偉、包小輝等採用冷原子系綜在國際上首次實現了百毫秒高效量子存儲器，為遠距離量子中繼系統的構建奠定了堅實基礎。該成果5月31日發表在國際權威學術期刊《自然·光子學》上。審稿人對這一工作的重要性給予高度認可，並稱贊這一實驗為“非凡絕技”（extraordinary tour de force）。

量子中繼可以解決光子信號在光纖內指數衰減的重大難題，是未來實現超遠距離量子通信的重要途徑之一。量子通信被認為是絕對安全的通信方式，其基本原理是利用單個光子加密攜帶一個量子比特的信息進行傳輸。目前量子通信只能達到百公里量級，要實現千公里以上的長程量子通信則需要基於量子存儲的量子中繼技術。

實驗裝置示意圖

此前已經實現的量子中繼方案，長程發送一個量子比特的信息所需時間在分鐘量級以上。量子中繼的基本原理是採用分段糾纏分發與糾纏交換相結合來拓展通信距離，其核心是量子存儲技術，通過對光子比特進行緩存，可大幅提升糾纏連接效率。為滿足遠距離量子中繼的實際需求，量子存儲器需要對單量子態進行長時間存儲且具備高讀出效率。

近年來，量子存儲的實驗研究進展很快，但到目前為止，還沒有一個體系能夠在存儲時間和效率方面同時滿足量子中繼需求。

冷原子系綜是量子存儲實驗研究的一個重要物理體系，它的主要優點包括操縱手段豐富、退相干機制簡單等。

為進一步提升存儲時間，潘建偉小組近年來發展了三維光晶格限制原子運動等多項關鍵實驗技術，使得原子運動導致的退相干得到大幅抑制，並最終成功實現了存儲壽命達到0.22秒、讀出效率達到76%的高性能量子存儲器。這一實驗結果與2012年的工作相比，存儲壽命提升了近兩個數量級。

該實驗的重要意義在於，第一次將存儲壽命及讀出效率提升到能夠滿足遠距離量子中繼的實際需求。據估算，該成果結合多模存儲、高效通訊波段接口等技術，已原理上可支持通過量子中繼實現500公里以上糾纏分發，並超越光纖直接傳輸極限。

該研究工作得到了中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中科院-阿里巴巴量子計算實驗室、基金委、科技部、教育部等國家有關部門的支持。

相關研究進展

2012年，潘建偉、包小輝等首次實現了毫秒級的高效量子存儲器，但該存儲時間仍與遠距離量子中繼的實際需求相距較遠。

2012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。

2013年，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。

2015年8月，李傳鋒研究組首次成功研製高維固態量子存儲器。

2015年10月，李傳鋒研究組成功實現確定性單光子的多模式固態量子存儲，一次可以存儲100個量子比特，創造了世界最高水平。