高維量子糾纏態的固態存儲

簡介

中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室在國際上率先研製成功高維固態量子存儲器。該實驗室李傳鋒研究組在固態系統中首次實現對三維量子糾纏態的量子存儲，保真度高達99.1%，存儲頻寬達1GHz，存儲效率為20%，並實驗證明該存儲器具有高達51維量子態的存儲能力。研究成果發表在8月13日的《物理評論快報》上。

存儲模式

遠程量子糾纏是實現長程量子通信、分散式量子計算及量子精密計量等的核心資源。但由於光子在光纖中隨距離指數損耗，量子糾纏分配的距離被限制在百公里量級。理論上可以基於糾纏光子的量子存儲及糾纏交換技術構建量子中繼，從而建立千公里量級的量子網路。然而受限於光源、存儲器及探測器的效率等因素，其預期傳輸速率非常低。提升其傳輸速率的重要手段有兩種，即對量子態進行高維編碼，或者使用多模式量子存儲器。目前國際上僅實現了兩維糾纏的固態量子存儲，並僅在時間域和頻率域實現多模式存儲。

研究歷程

李傳鋒研究組2012年建立我國首個固態量子存儲研究平台，並在國際上率先實現了光子偏振態的兩維固態量子存儲[PRL 108, 190505]，99.9%的保真度創造世界最高水平。近兩年在國家重大儀器專項支持下，研究組通過最佳化稀土摻雜晶體樣品設計及泵浦技術等極大地提升了存儲器指標，存儲頻寬由100MHz提升至1GHz，同時存儲效率由5%提升至20%，最終順利實現了高維糾纏態的量子存儲。研究組利用光的軌道角動量進行編碼，首次研製出基於參量下轉換的窄帶高維糾纏光源，然後把此糾纏源存入固態量子存儲器中，結果表明三維糾纏態的存儲保真度達到99.1%。

意義

研究組進一步分析該量子存儲的高維特性，結果表明在51維的態空間中量子存儲效果仍然非常好。高維軌道角動量存儲技術可用於存儲器的空間域復用以提升量子網路的傳輸效率及未來量子隨身碟的存儲容量。該研究進展使得同時使用時間、頻率及空間的並行復用成為可能，這種新穎的量子存儲器容量有望超過一百萬個量子比特。該成果為固態量子存儲器的集成化、規模化套用打下重要基礎。