全球首次：中國實(shí)現百毫秒級高效量子存儲器

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、包小輝等采用冷原子系綜在國際上首次實(shí)現了百毫秒高效量子存儲器，為遠距離量子中繼系統的構建奠定了堅實(shí)基礎。該成果5月31日發(fā)表在國際權威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。審稿人對這一工作的重要性給予高度認可，并稱(chēng)贊這一實(shí)驗為“非凡絕技”(extraordinary tour de force)。

　　根據觀(guān)察者網(wǎng)報道，量子中繼可以解決光子信號在光纖內指數衰減的重大難題，是未來(lái)實(shí)現超遠距離量子通信的重要途徑之一。量子通信被認為是絕對安全的通信方式，其基本原理是利用單個(gè)光子加密攜帶一個(gè)量子比特的資訊進(jìn)行傳輸。目前量子通信只能達到百公里量級，要實(shí)現千公里以上的長(cháng)程量子通信則需要基于量子存儲的量子中繼技術(shù)。

　　此前已經(jīng)實(shí)現的量子中繼方案，長(cháng)程發(fā)送一個(gè)量子比特的資訊所需時(shí)間在分鐘量級以上。量子中繼的基本原理是采用分段糾纏分發(fā)與糾纏交換相結合來(lái)拓展通信距離，其核心是量子存儲技術(shù)，透過(guò)對光子比特進(jìn)行緩存，可大幅提升糾纏連接效率。為滿(mǎn)足遠距離量子中繼的實(shí)際需求，量子存儲器需要對單量子態(tài)進(jìn)行長(cháng)時(shí)間存儲且具備高讀出效率。

　　近年來(lái)，量子存儲的實(shí)驗研究進(jìn)展很快，但到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)體系能夠在存儲時(shí)間和效率方面同時(shí)滿(mǎn)足量子中繼需求。冷原子系綜是量子存儲實(shí)驗研究的一個(gè)重要物理體系，它的主要優(yōu)點(diǎn)包括操縱手段豐富、退相干機制簡(jiǎn)單等。

　　為進(jìn)一步提升存儲時(shí)間，潘建偉小組近年來(lái)發(fā)展了三維光晶格限制原子運動(dòng)等多項關(guān)鍵實(shí)驗技術(shù)，使得原子運動(dòng)導致的退相干得到大幅抑制，并最終成功實(shí)現了存儲壽命達到0.22秒、讀出效率達到76%的高性能量子存儲器。這一實(shí)驗結果與2012年的工作相比，存儲壽命提升了近兩個(gè)數量級。

　　該實(shí)驗的重要意義在于，第一次將存儲壽命及讀出效率提升到能夠滿(mǎn)足遠距離量子中繼的實(shí)際需求。據估算，該成果結合多模存儲、高效通訊波段介面等技術(shù)，已原理上可支援透過(guò)量子中繼實(shí)現500公里以上糾纏分發(fā)，并超越光纖直接傳輸極限。

　　該研究工作得到了中科院量子資訊與量子科技前沿卓越創(chuàng )新中心、中科院-阿里巴巴量子計算實(shí)驗室、基金委、科技部、大陸教育部等國家有關(guān)部門(mén)的支援。

　　相關(guān)研究進(jìn)展

　　2012年，潘建偉、包小輝等首次實(shí)現了毫秒級的高效量子存儲器，但該存儲時(shí)間仍與遠距離量子中繼的實(shí)際需求相距較遠。

　　2012年5月，中科院院士、中科大教授郭光燦領(lǐng)導的中科院量子資訊重點(diǎn)實(shí)驗室李傳鋒研究組在固態(tài)系統中首次實(shí)現單光子偏振態(tài)的量子存儲器，保真度達99.9%，刷新世界紀錄。

　　2013年，世界上首個(gè)可以存儲單光子形狀的量子存儲器在大陸誕生。

　　2015年8月，李傳鋒研究組首次成功研制高維固態(tài)量子存儲器。

　　2015年10月，李傳鋒研究組成功實(shí)現確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲，一次可以存儲100個(gè)量子比特，創(chuàng )造了世界最高水平。