記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在高維量子信息存儲(chǔ)方面取得重要進(jìn)展，該實(shí)驗(yàn)室史保森教授研究小組在國際上首次實(shí)現(xiàn)攜帶軌道角動(dòng)量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲(chǔ)，邁出了基于高維量子中繼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大信息量量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵一步。該成果近日在線發(fā)表在《自然?通訊》上。

      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(gè)二維空間，一個(gè)光子攜帶的信息量是一個(gè)比特。如果能將光子編碼在一個(gè)高維空間，如無限維的軌道角動(dòng)量空間，則單個(gè)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，同時(shí)還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩裕⒃诹孔恿W(xué)的一些基本問題研究方面有非常重要的應(yīng)用。

      遠(yuǎn)距離量子通信的實(shí)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(chǔ)單元是量子中繼器的核心，實(shí)現(xiàn)光子攜帶信息在存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)中繼功能的關(guān)鍵。雖然這方面的研究已取得重大進(jìn)展，但迄今為止實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)的單光子均為高斯脈沖，且被編碼于二維空間，只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)比特的存儲(chǔ)。因此，能否實(shí)現(xiàn)編碼于高維空間光子的量子存儲(chǔ)是提高量子通信效率、構(gòu)建基于高維中繼器的遠(yuǎn)距離量子通信系統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

      史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解決上述問題。最近，他們首次成功實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖的存儲(chǔ)，證明高維量子態(tài)的存儲(chǔ)是完全可行的。該小組通過兩個(gè)磁光阱制備了兩個(gè)冷原子團(tuán)，利用其中一個(gè)冷原子團(tuán)制備標(biāo)記單光子，并使該光子攜帶一定的軌道角動(dòng)量，具有特殊的空間結(jié)構(gòu)。然后利用原子與光的相互作用將它存儲(chǔ)于另一個(gè)作為存儲(chǔ)介質(zhì)的冷原子團(tuán)中，結(jié)果證明單光子攜帶的軌道角動(dòng)量及其疊加態(tài)都可以被高保真地存儲(chǔ)。