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中科院量子存储器:专门打破纪录的“三明治”

2018-09-12 09:05来源:科学网

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  一个看上去尚且粗糙的“小镜框”,在中科院量子信息重点实验室呆萌6个年头了。这个外行看不明白、长得像玻璃三明治的镜框,由两块晶体夹着一个半波片组成,能收藏光子,学名叫量子存储器。它是中科院院士郭光灿的心头肉,更是李传锋研究小组的心尖儿。截至目前,这个小三明治已拿下了多个国际“首次”的头衔。最近一次刷新纪录,在8月24日的《自然·通讯》。

  早在2012年玻璃三明治出生时,所存储的偏振光子保真度达99.9%,当即就创下了世界第一的名份。6年来,国内外迄今无研究小组打破纪录。

  “把光子存储到超长寿命的稀土掺杂的晶体中,若将其放在液氦温度下,用高铁等运到很远的地方,就可以实现远距离量子通信了,这就是量子优盘,是量子中继之外新的量子通信方案。”李传锋用微信告诉记者。

  “量子通信依赖光纤信道,在信息传递过程中会有损耗。”李传锋研究小组成员周宗权介绍,目前地面安全量子通信距离被限制在百公里量级,为了使信息完整无误传递,采用量子存储器的量子中继方案,可有效克服信道的损耗,即可拓展量子通信的工作距离。所以,量子存储器无疑是未来实现长距离量子通信和量子网络的核心器件。

  “量子网络实用化的关键指标是通信速率,而多模式复用量子存储器可以极大地提升量子网络的通信速率。”李传锋解释。

  对于经典的存储器,如硬盘或者优盘等,其一个存储单元一次只能存储一个比特。而对量子存储器,一个存储单元可以一次性存储大量的量子比特,这就是复用的概念。理论上,量子存储器的各个自由度应该都可以进行复用。

  为了实现复用和提高复用率,李传锋研究组进行了连续多年的探究。2015年,他们首次利用光子的空间自由度,实现了复用量子存储,使这块玻璃三明治存储的维度数达到51维,这个存储维度保持至今,也是科技界的最高水平。这项成果的论文,发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters 115, 070502 (2015))。

  “复用时,可以把每一维作为个模式,那么空间自由度就有51个模式。”周宗权给记者推理了一番。

  他记得,就在同一年,研究小组利用光子的时间自由度,实现了100个模式的确定性单光子量子存储,又一次创造并保持至今复用固态量子存储的模式数最高水平。研究进展发表在《自然·通讯》(Nature Communications 6, 8652 (2015))。

  但研究小组并未停止前行。他们又开始琢磨:采用多自由度并行复用的存储方案。

  如在第一个自由度有M个存储模式,第二个自由度有N个模式,第三个自由度有P个模式,则量子存储器的总复用模式数为各个自由度模式数的乘积,即M*N*P。于是,研究组选择光子的时间、空间和频率自由度开展并行复用研究,再一次在国际上率先实现了跨越这三个自由度的复用量子存储。

  实验中,研究小组采用了2个时间模式、2个频率模式、3个空间模式,总模式数达到2*2*3=12个。实验结果,展示了多自由度并行复用量子存储的可行性。这种提升量子存储模式数的新方法,将在量子网络和量子优盘的研究中无疑具有重要应用。

  “研究至此,量子通信长距离传输的问题尚未得到彻底解决。”李传锋说。

  在多模式复用的长程量子通信中,两个中继节点的工作模式可能各不相同,为了能够执行进一步的纠缠交换,不同的中继节点必须把工作模式变换到同一模式。这就需要模式变换功能。为此,研究组设计了新的存储方案和存储装置,展现出多自由度复用量子存储器在时间及频率自由度具备任意模式变换功能。

  研究组进一步证明,他们的玻璃三明治可以在时间和频率自由度,实现任意脉冲操作,代表性的操作包括脉冲排序、分束、分频、异频光子合束和窄带滤波等。在所有这些操作过程中,光子携带的三维空间量子态都保持了约89%的保真度。这就是存储装置可以实现线性光学量子计算机所需的所有操作,这项成果有望在量子计算等领域获得更多的应用。这一新的成果,于8月24日刊登在《自然·通讯》上。

  李传锋告诉记者,“所有这些研究,一直以来都是在科技部、国家自然科学基金委和中科院量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助下完成的。我们现在的存储寿命是5小时,接下来如果玻璃三明治能长时间存储光子,读出光子,并能运动起来,且能屏蔽周围环境的影响,量子优盘就完成了原理性验证实验。若要进入实际应用,还需要进一步提升寿命、提高容量等后续工作”。王静

[责编:赵清建]

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