中科大實(shí)現(xiàn)多自由度復(fù)用的多功能固態(tài)量子存儲(chǔ)器

 

 

圖1 多自由度復(fù)用量子存儲(chǔ)示意圖
 

　　由于不可克服的光纖信道損耗，目前地面安全量子通信距離被限制在百公里量級(jí)。基于量子存儲(chǔ)器的量子中繼方案可以有效克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離，所以量子存儲(chǔ)器是未來長(zhǎng)程量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件。量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化的關(guān)鍵指標(biāo)是通信速率，而多模式復(fù)用量子存儲(chǔ)器可以極大地提升量子網(wǎng)絡(luò)的通信速率。對(duì)于經(jīng)典的存儲(chǔ)器，如硬盤或者優(yōu)盤等，其一個(gè)存儲(chǔ)單元一次只能存儲(chǔ)一個(gè)比特。而對(duì)量子存儲(chǔ)器，由于具有量子相干性，其一個(gè)存儲(chǔ)單元可以一次性存儲(chǔ)大量的量子比特，這就是復(fù)用的概念。原則上對(duì)量子存儲(chǔ)器的各個(gè)自由度都可以進(jìn)行復(fù)用。
 

　　近年來，李傳鋒研究組一直致力于基于稀土摻雜晶體的復(fù)用量子存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究。2015年首次利用光子的空間自由度實(shí)現(xiàn)復(fù)用量子存儲(chǔ)，存儲(chǔ)維度數(shù)達(dá)到51維，至今保持固態(tài)量子存儲(chǔ)維度數(shù)最高水平[Physical Review Letters 115, 070502 (2015)]，復(fù)用時(shí)，可以把每一維作為一個(gè)模式，那么空間自由度就有51個(gè)模式。同年，利用光子的時(shí)間自由度，實(shí)現(xiàn)了100個(gè)模式的確定性單光子量子存儲(chǔ)，至今保持復(fù)用固態(tài)量子存儲(chǔ)的模式數(shù)最高水平[Nature Communications 6, 8652 (2015)]。
 

　　為了進(jìn)一步提升量子存儲(chǔ)器的復(fù)用能力，研究組創(chuàng)新性地采用多自由度并行復(fù)用的存儲(chǔ)方案。比如在第一個(gè)自由度有M個(gè)存儲(chǔ)模式，第二個(gè)自由度有N個(gè)模式，第三個(gè)自由度有P個(gè)模式，則量子存儲(chǔ)器的總復(fù)用模式數(shù)為各個(gè)自由度模式數(shù)的乘積，即M*N*P。研究組選擇光子的時(shí)間、空間和頻率自由度進(jìn)行并行復(fù)用，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了跨越這三個(gè)自由度的復(fù)用量子存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中采用了2個(gè)時(shí)間模式、2個(gè)頻率模式、3個(gè)空間模式，總模式數(shù)達(dá)到2*2*3=12個(gè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了多自由度并行復(fù)用量子存儲(chǔ)的可行性。這種提升量子存儲(chǔ)模式數(shù)的新方法，將在量子網(wǎng)絡(luò)和量子優(yōu)盤的研究中具有重要應(yīng)用。
 

 

圖2 多自由度復(fù)用量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置圖
 

　　在多模式復(fù)用的長(zhǎng)程量子通信中，兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的工作模式可能各不相同，為了能夠執(zhí)行進(jìn)一步的糾纏交換，不同的中繼節(jié)點(diǎn)必須把工作模式變換到同一模式，這就需要模式變換功能。研究組巧妙地設(shè)計(jì)存儲(chǔ)方案和存儲(chǔ)裝置，展現(xiàn)他們的多自由度復(fù)用量子存儲(chǔ)器在時(shí)間及頻率自由度具備任意模式變換功能。
 

　　研究組還進(jìn)一步證明他們的存儲(chǔ)器可以在時(shí)間和頻率自由度實(shí)現(xiàn)任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所有這些操作過程中，光子攜帶的三維空間量子態(tài)都保持了約89%的保真度。該存儲(chǔ)裝置可以實(shí)現(xiàn)Knill—Laflamme-Milburn型量子計(jì)算所需的所有操作，所以該成果還有望在線性光學(xué)量子計(jì)算等領(lǐng)域取得更多的應(yīng)用。
 

　　論文第一作者為博士研究生楊天書。該工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。
 

　　(原文標(biāo)題：中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)多自由度復(fù)用的多功能固態(tài)量子存儲(chǔ)器)