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中國科技技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站9日消息，世界上首個可以存儲單光子形狀的量子存儲器在中國誕生，最新成果在線發(fā)表于《自然•通訊》上。這項成果將鞏固我國在量子通信技術(shù)領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

中科大實現(xiàn)光子軌道角動量的量子存儲

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室在高維量子信息存儲方面取得重要進展：該實驗室史保森教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在國際上首次實現(xiàn)了攜帶軌道角動量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系統(tǒng)中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，邁出了基于高維量子中繼器實現(xiàn)遠距離大信息量量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵一步。這項研究成果在線發(fā)表在《自然•通訊》上。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中科院和科技部的支持。

量子通信系統(tǒng)中作為載體的單光子所攜帶的信息量的大小與所處編碼的空間維數(shù)有關(guān)。目前光子主要編碼在一個二維空間，因而一個光子攜帶的信息量是一個比特。如果能將光子編碼在一個高維空間（如軌道角動量空間），則單個光子所能攜帶的信息量將大幅度增加，極大地提高量子通信的效率。此外，利用光子的高維編碼態(tài)還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩?，并且在量子力學(xué)的一些基本問題的研究方面也有非常重要的應(yīng)用。

我國在量子通信領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平

遠距離量子通信的實現(xiàn)和量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成必須借助于量子中繼器，而量子存儲單元是構(gòu)成量子中繼器的核心，實現(xiàn)光子攜帶信息在存儲單元中的存儲與釋放是實現(xiàn)中繼功能的關(guān)鍵。雖然這方面的研究已取得重大進展，但到目前為止實驗存儲的單光子均為高斯脈沖，且被編碼于二維空間，只能實現(xiàn)一個比特的存儲。因而，能否實現(xiàn)編碼于高維空間光子的量子存儲是提高量子通信效率、構(gòu)建基于高維中繼器的遠距離量子通信系統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

盡管人們已成功實現(xiàn)攜帶高維空間信息的光脈沖在不同存儲體系中的存儲，但到目前為止，所有光脈沖均為經(jīng)典強光或衰減的弱相干光，能否實現(xiàn)和如何實現(xiàn)在單光子條件下高維量子態(tài)的存儲仍然是量子信息領(lǐng)域中一個急待解決的熱點問題。

史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解決以上問題，并在具有空間結(jié)構(gòu)的光脈沖存儲方面取得了系列進展。最近他們首次成功地實現(xiàn)了攜帶軌道角動量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖的存儲與釋放，證明了高維量子態(tài)的存儲是完全可行的。該小組通過兩個磁光阱制備了兩個冷原子團，利用其中一個冷原子團通過非線性過程制備標(biāo)記單光子，并通過螺旋相位片使該光子攜帶一定的軌道角動量，具有特殊的空間結(jié)構(gòu)。而后利用電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)將其存儲于另一個作為存儲介質(zhì)的冷原子團中，實驗結(jié)果清楚地證明了單光子攜帶的軌道角動量可以高保真地被存儲。

同時該小組借助于精心設(shè)計的Sagnac干涉儀，通過量子層析技術(shù)和干涉技術(shù)成功地證明了單光子軌道角動量的疊加性也可以在存儲過程中很好地保持，而態(tài)的疊加特性是量子信息之所以不同于經(jīng)典信息的根本之處。

該研究成果在正式發(fā)表前曾提交到學(xué)術(shù)網(wǎng)站arxiv，立刻引起人們的廣泛關(guān)注，MIT的TechnologyReview網(wǎng)站以“第一個存儲單光子形狀的量子存儲器在中國揭開面紗”為題進行了積極評價。隨后多家網(wǎng)站進行了轉(zhuǎn)載和評述?！蹲匀?bull;通訊》審稿人指出：“這是一項令人印象非常深刻的工作，它為快速發(fā)展的量子存儲研究制定了一個非常高的標(biāo)準(zhǔn)。事實上作者可以將這項工作分成兩篇論文，但作者將這項工作中所展示的單光子的產(chǎn)生、存儲、釋放及軌道角動量的操控等方面的技術(shù)能力結(jié)合在一起，代表了量子技術(shù)發(fā)展中一個令人激動的分水嶺。這項工作將在量子信息和量子原子光學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。”

固態(tài)量子存儲器保真度世界紀(jì)錄刷新

去年5月，中科院院士、中科大教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組在固態(tài)系統(tǒng)中首次實現(xiàn)單光子偏振態(tài)的量子存儲器，保真度達99.9%，刷新世界紀(jì)錄。研究成果日前發(fā)表在美國《物理評論快報》上，并被美國物理學(xué)會網(wǎng)站“物理概要”欄目作亮點報道。

量子存儲器是量子信息領(lǐng)域的核心器件之一，是量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼等基本量子信息過程的必需元件。同時，它還可用來實現(xiàn)量子中繼，以解決遠程量子通信中的信息損耗問題，以及用于分布式量子計算、量子精密測量等。

國際上常用的量子存儲器，如冷原子、玻色—愛因斯坦凝聚等，存在帶寬窄和擴展性差等缺點，難以應(yīng)用于實用化的量子網(wǎng)絡(luò)。近幾年興起的基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲器，具有壽命長、穩(wěn)定性高、帶寬較寬、擴展性強等優(yōu)點。但由于這種晶體有雙折射效應(yīng)，不能用光的偏振狀態(tài)（光波的振動狀態(tài)）來加載信息，而光的各種偏振態(tài)是量子信息最方便的載體，因此，怎樣實現(xiàn)光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲器是國際學(xué)術(shù)界一大難題。

李傳鋒小組利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態(tài)，同時把一片特殊設(shè)計的光學(xué)元件（波片）置于兩塊晶體之間，來實現(xiàn)這兩種偏振態(tài)的互換。整個量子存儲器就像一片很小的“三明治”，緊湊而穩(wěn)定，擴展和集成都十分方便。

在實驗中，他們擯棄了傳統(tǒng)的固態(tài)量子存儲方案中使用的“共線式”光路，設(shè)計出交叉式光路，使得預(yù)處理用的泵浦光與待存儲的光不再重合，降低了泵浦光帶來的噪聲，從而極大地提高了存儲器的保真度，可達99.9%，遠高于此前單光子偏振存儲95%的最高保真度。審稿人稱贊其“新穎地解決了在固態(tài)器件中存儲偏振比特的重要問題”。

李傳鋒說，該成果對進一步提高實用化量子通信網(wǎng)絡(luò)元件的小型化和集成化具有重要意義。同時，該超高保真度量子存儲可應(yīng)用于容錯量子計算等具有苛刻要求的研究領(lǐng)域。

量子通信：

量子通信技術(shù)是量子力學(xué)與傳統(tǒng)信息科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，目前，主要利用光在微觀世界中的量子特性，通過單個光子或糾纏光子傳輸“0”和“1”的數(shù)字信息來實現(xiàn)信息的高速傳遞，從理論上說可以傳輸超大容量的信息，且能夠用于開發(fā)用經(jīng)典手段無法破譯的密碼。由于光子在傳輸過程中會發(fā)生衰減，在實際應(yīng)用中實現(xiàn)遠距離的光纖量子保密通信難度很大，目前量子密碼在光纖中的最大傳輸距離只有200公里左右。不過，最新的研究表明，利用通信衛(wèi)星和自由空間糾纏光子分發(fā)，很有希望實現(xiàn)更遠距離乃至全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

量子保密通信技術(shù)基于量子力學(xué)原理，能確保兩地之間密鑰分配的絕對安全性，從而保證通信的絕對安全。量子信號在商用光纖上傳輸?shù)牟环€(wěn)定性是量子保密通信技術(shù)實用化的主要技術(shù)障礙；而量子信號的絕對安全的路由問題則是實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)的主要難題。因此，從根本上解決光纖傳輸?shù)姆€(wěn)定性問題和光纖網(wǎng)絡(luò)的量子路由問題一直是國際學(xué)術(shù)界的兩大研究熱點和難題。中國科學(xué)家目前在此領(lǐng)域已經(jīng)成功實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，領(lǐng)先世界。

科技人物：

郭光燦

郭光燦院士

郭光燦教授，1942年生于福建惠安。1965年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)無線電電子學(xué)系并留校任教?，F(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院量子信息重點實驗室主任。2003年當(dāng)選中國科學(xué)院院士。

郭光燦是中科院方向性項目首席專家，國家科技部973項目“量子通信和量子信息技術(shù)”的首席科學(xué)家。主要從事量子光學(xué)、量子密碼、量子通信和量子計算的理論和實驗研究。

郭光燦院士提出概率量子克隆原理， 推導(dǎo)出最大克隆效率，在實驗上研制成功概率量子克隆機和普適量子克隆機。發(fā)現(xiàn)在環(huán)境作用下不會消相干的"相干保持態(tài)"，提出量子避錯編碼原理，被實驗證實。提出一種新型可望實用的量子處理器，被實驗證實。在實驗上實現(xiàn)遠距離的量子密鑰傳輸，建立基于量子密碼的保密通信系統(tǒng)，并提出"信道加密"的新方案，有其獨特的安全保密優(yōu)點。在實驗上驗證了K-S理論，有力地支持了量子力學(xué)理論。發(fā)現(xiàn)奇偶相干態(tài)的奇異特性等。

兩項原創(chuàng)性的應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果：“概率量子克隆”和“量子避錯編碼”。前者為解決量子信息領(lǐng)域的難題即信息提取問題提供了有效方法，被國際學(xué)術(shù)界稱為 “段－郭概率量子克隆機”“段－郭界限”，同時在實驗上研制成功量子克隆機，被認為是“該領(lǐng)域最激動人心的進展之一”；后一成果為克服量子信息技術(shù)實際應(yīng) 用的主要障礙即消相干問題提供新的方法，成為學(xué)術(shù)界公認的三種不同原理編碼之一，并被美國若干著名實驗室在實驗上所證實。

完成14.8公里光纖量子密鑰的實驗，在3.2公里的中科大東西校區(qū)之間通過地下光纜建立了國內(nèi)第一條基于量子密碼的保密通信線路，為量子通信走向?qū)嵱眠~出可喜的一步。

提出“實用量子處理器”和“信道加密”兩個新的實施方案，前者已被法國學(xué)者在實驗上所證實，被認為是可實用化的器件，后者是與現(xiàn)有所有量子密碼方案不同的新方案，有其獨特優(yōu)點，被國際同行詳細推廣引用。

史保森

史保森教授

史保森教授1998年畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系，獲博士學(xué)位，導(dǎo)師郭光燦院士。1998年留校任教。1998-2000年任講師，2001年任副教授。2007年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”。同年被聘為教授。1998年起在學(xué)校“211”工程的支持下負責(zé)籌建非線性光學(xué)實驗室，并在此基礎(chǔ)上建立量子信息實驗室。所領(lǐng)導(dǎo)小組在國內(nèi)率先制備了脈沖糾纏光子對。

2001年4月- 2004年11月作為日本科學(xué)技術(shù)振興事業(yè)機構(gòu)研究員，在日本NEC基礎(chǔ)研究所從事量子光學(xué), 非線性光學(xué)和量子信息的理論和實驗研究。并于2005年兩次受邀在日本短期訪問。2004年11月回國后從事基于原子系綜的量子信息及腔內(nèi)參量過程的實驗研究，并在此兩方面均取得較大進展。目前主要從事基于原子體系的量子信息研究，以及基于腔內(nèi)非線性頻率變換的量子光學(xué)和量子信息研究。

李傳鋒

李傳鋒教授

李傳鋒教授1990年進入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系讀本科與研究生，師從郭光燦院士，1999年博士畢業(yè)后留校任教。現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系和中科院量子信息重點實驗室教授。

李傳鋒主要從事量子光學(xué)、量子信息、低維固態(tài)量子系統(tǒng)等的理論與實驗研究，期望能夠建立一套有特色的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)并利用所發(fā)展的量子信息技術(shù)探索量子物理。

李傳鋒主要成果有：實驗驗證糾纏輔助的熵的不確定關(guān)系；研究了糾纏與關(guān)聯(lián)動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)量子關(guān)聯(lián)可以不被環(huán)境所破壞并驗證量子關(guān)聯(lián)的突變現(xiàn)象，論文入選ESI Hot Paper；制備出八光子糾纏態(tài)，并完成八方量子通訊復(fù)雜度實驗，研究成果入選2011年度中國十大科技新聞；實驗實現(xiàn)量子開放系統(tǒng)的環(huán)境控制，觀測到了馬爾科夫環(huán)境到非馬爾科夫環(huán)境的突變現(xiàn)象；實現(xiàn)了光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲，保真度達到99.9%，是目前所有量子存儲器中保真度最高的；實現(xiàn)量子的惠勒延遲選擇實驗，制備出了波與粒子的疊加狀態(tài)，豐富了人們對玻爾互補原理的理解