中国研制出世界最高效固态量子存储器

中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组，成功实现确定性单光子的多模式固态量子存储，一次可以存储100个量子比特，创造了世界最高水平。该成果发表在10月15日的著名学术期刊《自然·通讯》上。此前8月,该研究组在固态系统中首次实现对三维量子纠缠态的量子存储，保真度高达９９.１％,发表在物理学国际权威期刊《物理评论快报》上。

量子通信被认为是绝对安全的通信方式，基本原理是利用单个光子加密携带一个量子比特的信息进行传输。目前量子通信只能达到百公里量级，要实现千公里以上的长程量子通信则需要基于量子存储的量子中继技术。目前已经实现的量子中继方案，长程发送一个量子比特的信息所需时间在分钟量级以上。

远程量子纠缠是实现长程量子通信、分布式量子计算及量子精密计量等的核心资源。理论上可以基于纠缠光子的量子存储及纠缠交换技术构建量子中继，进而建立千公里量级的量子网络。然而受限于光源、存储器及探测器的效率等因素，量子网络预期传输速率非常低。

加快传输速度有两个办法，一是采用确定性单光子源，即利用单个原子发光，每次只发射一个光子；二是利用多模式存储，即一次存储就可以存多个量子比特，而普通的量子存储一次只能存一个量子比特的信息。

据了解，李传锋研究组２０１２年建立中国首个固态量子存储研究平台，并在国际上率先实现光子偏振态的两维固态量子存储，创造了９９．９％的保真度这一世界最高水平。

在此基础上，研究组利用光的轨道角动量进行编码，首次研制出窄带高维纠缠光源，然后将此纠缠源存入固态量子存储器中，结果显示三维纠缠态的存储保真度达到９９．１％。科研人员们进一步分析该量子存储的高维特性，结果表明该存储器可对高达５１维的量子态进行有效存储。

李传锋表示，高维轨道角动量存储技术可用于存储器的多模式存储，以提升量子网络的传输速率及未来量子Ｕ盘的存储容量。利用多模式存储，这种新颖的量子存储器的存储容量有望超过１００万个量子比特。基于该技术，可以使长程发送一个量子比特需要的时间缩短到毫秒量级，即传输速度可以提高四个量级。同时，该成果还首次实现了两个固态量子节点，即固态人造原子光源与固态量子存储器的对接，向实现全固态量子网络迈出了重要一步。