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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國際上率先研制成功高維固態(tài)量子存儲器。該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組在固態(tài)系統(tǒng)中首次實(shí)現(xiàn)對三維量子糾纏態(tài)的量子存儲，保真度高達(dá)99.1%，存儲帶寬達(dá)1GHz，存儲效率為20%，并實(shí)驗(yàn)證明該存儲器具有高達(dá)51維量子態(tài)的存儲能力。研究成果發(fā)表在8月13日的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 115, 070502 (2015)]。

遠(yuǎn)程量子糾纏是實(shí)現(xiàn)長程量子通信、分布式量子計算及量子精密計量等的核心資源。但由于光子在光纖中隨距離指數(shù)損耗，量子糾纏分配的距離被限制在百公里量級。理論上可以基于糾纏光子的量子存儲及糾纏交換技術(shù)構(gòu)建量子中繼，從而建立千公里量級的量子網(wǎng)絡(luò)。然而受限于光源、存儲器及探測器的效率等因素，其預(yù)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(tài)進(jìn)行高維編碼，或者使用多模式量子存儲器。目前國際上僅實(shí)現(xiàn)了兩維糾纏的固態(tài)量子存儲，并僅在時間域和頻率域?qū)崿F(xiàn)多模式存儲。

李傳鋒研究組2012年建立我國首個固態(tài)量子存儲研究平臺，并在國際上率先實(shí)現(xiàn)了光子偏振態(tài)的兩維固態(tài)量子存儲[PRL 108, 190505]，99.9%的保真度創(chuàng)造世界最高水平。近兩年在國家重大儀器專項(xiàng)支持下，研究組通過優(yōu)化稀土摻雜晶體樣品設(shè)計及泵浦技術(shù)等極大地提升了存儲器指標(biāo)，存儲帶寬由100MHz提升至1GHz，同時存儲效率由5%提升至20%，最終順利實(shí)現(xiàn)了高維糾纏態(tài)的量子存儲。研究組利用光的軌道角動量進(jìn)行編碼，首次研制出基于參量下轉(zhuǎn)換的窄帶高維糾纏光源，然后把此糾纏源存入固態(tài)量子存儲器中，結(jié)果表明三維糾纏態(tài)的存儲保真度達(dá)到99.1%。

高維軌道角動量量子疊加態(tài)|3>+|-3>(上)，|10>-|-10>(下)的相位(左)及場強(qiáng)分布(右)

實(shí)驗(yàn)裝置圖

研究組進(jìn)一步分析該量子存儲的高維特性，結(jié)果表明在51維的態(tài)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(shù)可用于存儲器的空間域復(fù)用以提升量子網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率及未來量子U盤的存儲容量。本研究進(jìn)展使得同時使用時間、頻率及空間的并行復(fù)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。本成果為固態(tài)量子存儲器的集成化、規(guī)?；瘧?yīng)用打下重要基礎(chǔ)。

這項(xiàng)工作得到國家基金委、中科院、科技部和教育部的資助。

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)