中國(guó)科大成功研制多自由度并行復(fù)用的固態(tài)量子存儲(chǔ)器

記者從中國(guó)科大獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)等人成功研制出多自由度并行復(fù)用的固態(tài)量子存儲(chǔ)器，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)跨越3個(gè)自由度的復(fù)用量子存儲(chǔ)，并展示了時(shí)間和頻率自由度的任意光子脈沖操作功能。該成果近日發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·通訊》上。

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。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。

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)了這3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。

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。