世界首个单光子空间结构量子存储器诞生

记者从中国科技大学了解到，以郭广灿院士为首的中国科学院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得了重要进展。石宝森教授的实验室研究团队在世界上首次实现了冷原子系综中单光子脉冲轨道角动量和空间结构的存储，并在基于高维量子中继器实现长距离大信息量子信息传输方面迈出了关键一步。该结果最近发表在《自然通讯》的在线版上。

在量子通信系统中，单个光子作为载体所携带的信息量与代码的空间维度有关。目前，光子主要在二维空间中编码，光子携带的信息量为一位。如果光子可以在高维空间中编码，比如无限维轨道角动量空间，那么单个光子可以携带的信息量将会大大增加，大大提高量子通信的效率，同时还可以提高量子密钥传输的安全性，在量子力学的一些基本问题的研究中有着非常重要的应用。

长距离量子通信的实现和量子网络的建设必须依靠量子中继器，而量子存储单元是量子中继器的核心。光子携带信息在存储单元中的存储是实现中继功能的关键。虽然在这方面已经取得了显著的进展，但是到目前为止，实验中存储的单光子是高斯脉冲，并且是在二维空间中编码的，所以只能存储一个比特。因此，能否实现高维空间编码光子的量子存储，是提高量子通信效率，构建基于高维中继器的长距离量子通信系统和量子网络的关键。

石教授和博士生丁冬生一直致力于解决上述问题。最近，他们首次成功实现了具有轨道角动量和空间结构的单光子脉冲的存储，证明了高维量子态的存储是完全可行的。该团队通过两个磁光阱制备了两个冷原子组，并利用其中一个冷原子组制备了一个标记的单光子，它携带一定的轨道角动量并具有特殊的空间结构。然后，它被储存在另一个冷原子团中，作为利用原子和光的相互作用的储存介质。结果证明，单光子携带的轨道角动量及其叠加态可以高保真地存储。(资料来源:阳，科技日报)