中国科大实现基于拉曼过程的光子混合纠缠态的量子存储

　　中国科学技术大学教授、中科院院士郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在量子信息领域取得重要进展：该实验室教授史保森领导的小组利用拉曼存储协议在国际上首次实现了光子偏振纠缠态以及由光子偏振和路径不同自由度组成的混合纠缠态的量子存储。该工作对未来实现高速、宽带量子通信具有重要意义。这项研究成果于3月30日发表在《自然·光子学》上。

　　光量子纠缠是实现可扩展的线性量子计算和构建量子通信网络的核心量子资源，而光量子纠缠的存储则是实现量子计算和量子网络通信的关键技术之一。实现宽带、高速的信息传输和处理是所有通信系统追求的目标，量子通信也不例外，因而宽带光子纠缠态的存储自然成为构建高速量子网络的基础，也是量子信息技术走向实用化和普及化必须解决的关键技术之一。此外，一个光子拥有多种自由度，比如偏振、路径以及轨道角动量等。宽带多自由度光量子混合纠缠态的存储也是实现高速量子网络的关键技术之一。

　　实现量子存储的方案有很多种。在众多方案中，拉曼存储协议相比于其它方案如电磁诱导透明协议等具有很多优点，如可以实现宽带信号存储、存储信号的频率具有可调性等。由于该协议具备实现宽带、高速信息处理的潜力，因而成为近年来量子存储研究领域的一个热点方向。尽管科研人员已在固体、原子气体以及分子气体等系统成功地实现了基于拉曼协议的光信息存储，但迄今为止所有光脉冲均为经典强光或衰减的弱相干光，尚无任何偏振纠缠光子的量子存储报道。

　　史保森领导的研究小组长期从事量子存储的相关实验研究，在光量子存储方面积累丰富的实践经验。该小组在2013年首次成功实现了单光子偏振和轨道角动量混合纠缠的量子存储[Nat. Commun. 4,2527(2013)]，随后又首次实现了光子轨道角动量纠缠的量子存储[Phy. Rev. Lett.114, 050502 (2015)]，最近该小组又在这个领域取得重要突破：他们利用冷原子系统作为存储介质，借助于巧妙设计的Sagnac干涉仪，在国际上首次利用拉曼存储协议分别成功地实现了单光子的路径和偏振混合纠缠态以及双光子偏振纠缠态的量子存储，所有实验数据均清晰地证明了偏振纠缠的高保真存储。《自然﹒光子学》审稿人认为：“这是该领域第一个标志性成果, 为该热点研究领域建立了一个基准点。”它的实现无疑为未来构建基于光纤系统的高速量子网络以及高速线性量子计算奠定坚实基础。

　　博士生丁冬生和张伟是论文的共同第一作者。这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和教育部的资助。

实验装置图