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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(gè)可以存儲(chǔ)單光子形狀的量子存儲(chǔ)器在中國誕生，最新成果在線發(fā)表于《自然•通訊》上。這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)光子軌道角動(dòng)量的量子存儲(chǔ)

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)室史保森教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在國際上首次實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系統(tǒng)中的存儲(chǔ)與釋放，證明了建立高維量子存儲(chǔ)單元的可行性，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。這項(xiàng)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(gè)二維空間，因而一個(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。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(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)單元是構(gòu)成量子中繼器的核心，實(shí)現(xiàn)光子攜帶信息在存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)與釋放是實(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，但到目前為止實(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)。因而，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。

盡管人們已成功實(shí)現(xiàn)攜帶高維空間信息的光脈沖在不同存儲(chǔ)體系中的存儲(chǔ)，但到目前為止，所有光脈沖均為經(jīng)典強(qiáng)光或衰減的弱相干光，能否實(shí)現(xiàn)和如何實(shí)現(xiàn)在單光子條件下高維量子態(tài)的存儲(chǔ)仍然是量子信息領(lǐng)域中一個(gè)急待解決的熱點(diǎn)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(chǔ)方面取得了系列進(jìn)展。最近他們首次成功地實(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)與釋放，證明了高維量子態(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)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(dòng)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(chǔ)于另一個(gè)作為存儲(chǔ)介質(zhì)的冷原子團(tuán)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地證明了單光子攜帶的軌道角動(dòng)量可以高保真地被存儲(chǔ)。

同時(shí)該小組借助于精心設(shè)計(jì)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(dòng)量的疊加性也可以在存儲(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)單光子形狀的量子存儲(chǔ)器在中國揭開面紗”為題進(jìn)行了積極評(píng)價(jià)。隨后多家網(wǎng)站進(jìn)行了轉(zhuǎn)載和評(píng)述?！蹲匀?bull;通訊》審稿人指出：“這是一項(xiàng)令人印象非常深刻的工作，它為快速發(fā)展的量子存儲(chǔ)研究制定了一個(gè)非常高的標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上作者可以將這項(xiàng)工作分成兩篇論文，但作者將這項(xiàng)工作中所展示的單光子的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、釋放及軌道角動(dòng)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(gè)令人激動(dòng)的分水嶺。這項(xiàng)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(chǔ)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(diǎn)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)單光子偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)器，保真度達(dá)99.9%，刷新世界紀(jì)錄。研究成果日前發(fā)表在美國《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被美國物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站“物理概要”欄目作亮點(diǎn)報(bào)道。

量子存儲(chǔ)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(shí)，它還可用來實(shí)現(xiàn)量子中繼，以解決遠(yuǎn)程量子通信中的信息損耗問題，以及用于分布式量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等。

國際上常用的量子存儲(chǔ)器，如冷原子、玻色—愛因斯坦凝聚等，存在帶寬窄和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，難以應(yīng)用于實(shí)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(chǔ)器，具有壽命長、穩(wěn)定性高、帶寬較寬、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)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(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲(chǔ)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(shí)把一片特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)元件（波片）置于兩塊晶體之間，來實(shí)現(xiàn)這兩種偏振態(tài)的互換。整個(gè)量子存儲(chǔ)器就像一片很小的“三明治”，緊湊而穩(wěn)定，擴(kuò)展和集成都十分方便。

在實(shí)驗(yàn)中，他們擯棄了傳統(tǒng)的固態(tài)量子存儲(chǔ)方案中使用的“共線式”光路，設(shè)計(jì)出交叉式光路，使得預(yù)處理用的泵浦光與待存儲(chǔ)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(chǔ)器的保真度，可達(dá)99.9%，遠(yuǎn)高于此前單光子偏振存儲(chǔ)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(chǔ)偏振比特的重要問題”。

李傳鋒說，該成果對(duì)進(jìn)一步提高實(shí)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(shí)，該超高保真度量子存儲(chǔ)可應(yīng)用于容錯(cuò)量子計(jì)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(gè)光子或糾纏光子傳輸“0”和“1”的數(shù)字信息來實(shí)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(huì)發(fā)生衰減，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)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(duì)安全性，從而保證通信的絕對(duì)安全。量子信號(hào)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(shí)用化的主要技術(shù)障礙；而量子信號(hào)的絕對(duì)安全的路由問題則是實(shí)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(diǎn)和難題。中國科學(xué)家目前在此領(lǐng)域已經(jīng)成功實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目首席專家，國家科技部973項(xiàng)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(jì)算的理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)上研制成功概率量子克隆機(jī)和普適量子克隆機(jī)。發(fā)現(xiàn)在環(huán)境作用下不會(huì)消相干的"相干保持態(tài)"，提出量子避錯(cuò)編碼原理，被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。提出一種新型可望實(shí)用的量子處理器，被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dú)特的安全保密優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)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(xiàng)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(cuò)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(jī)”“段－郭界限”，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)上研制成功量子克隆機(jī)，被認(rèn)為是“該領(lǐng)域最激動(dòng)人心的進(jìn)展之一”；后一成果為克服量子信息技術(shù)實(shí)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(rèn)的三種不同原理編碼之一，并被美國若干著名實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)上所證實(shí)。

完成14.8公里光纖量子密鑰的實(shí)驗(yàn)，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(shí)用量子處理器”和“信道加密”兩個(gè)新的實(shí)施方案，前者已被法國學(xué)者在實(shí)驗(yàn)上所證實(shí)，被認(rèn)為是可實(shí)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)，被國際同行詳細(xì)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(jì)劃”。同年被聘為教授。1998年起在學(xué)校“211”工程的支持下負(fù)責(zé)籌建非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，并在此基礎(chǔ)上建立量子信息實(shí)驗(yàn)室。所領(lǐng)導(dǎo)小組在國內(nèi)率先制備了脈沖糾纏光子對(duì)。

2001年4月- 2004年11月作為日本科學(xué)技術(shù)振興事業(yè)機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究，并在此兩方面均取得較大進(jìn)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(jìn)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?，F(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(yàn)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(shí)驗(yàn)，研究成果入選2011年度中國十大科技新聞；實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)量子開放系統(tǒng)的環(huán)境控制，觀測(cè)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(shí)現(xiàn)了光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲(chǔ)，保真度達(dá)到99.9%，是目前所有量子存儲(chǔ)器中保真度最高的；實(shí)現(xiàn)量子的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)，制備出了波與粒子的疊加狀態(tài)，豐富了人們對(duì)玻爾互補(bǔ)原理的理解