实验室史保森、丁冬生等实现大螺旋带宽的高维量子存储

　　我实验室在轨道角动量量子存储研究中取得重要进展：史保森、丁冬生研究组在基于冷原子系综的量子存储研究中，通过调制泵浦光场的螺旋结构实现大螺旋带宽的高维量子存储，推进了高维量子存储的研究步伐。该研究成果于8月28日在线发表在《通讯物理》上（DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-019-0201-1）。

        利用光子的轨道角动量(OAM)可以构成一个无限维的完备的Hilbert空间，将光子编码在该空间可以大幅度增加光子的信息携带量，提高量子网络的信道容量。利用光子的高维编码态可以实现诸如量子全息隐形传态、量子镜像密集编码、全息量子计算等量子信息协议，还可以应用于量子力学基本问题如Bell不等式的检验等研究。构建高维量子纠缠网络的关键技术之一就是要实现高维量子存储器。史保森和丁冬生等近年来在高维量子存储的领域开展了一系列研究工作，先后实现了单光子OAM[Nat. Commun. 4，2527(2013)]、2维OAM纠缠[Phys. Rev. Lett. 114，050502(2015)] 、7维OAM纠缠[Light:Sci.&Appl. 5，e16157(2016)]以及6维偏振和OAM多自由度超纠缠[Nat. Commun. 7,13514(2016)]的量子纠缠存储。

        实现更高维OAM的量子存储一直困扰着研究人员。人们在讨论量子存储器时一直关注于一个存储器的存储寿命，存储效率以及存储保真度等。而另外一个和存储器的容量息息有关的参数是OAM螺旋带宽δl，它表征一个存储器所能存储的最大OAM模式数量，这个数值的大小限制了一个存储器所能存储光子的维数。根据之前的研究报道，利用普通高斯光泵浦时，高维OAM存储器的螺旋带宽为δl=11±2，可以实现7维OAM的量子存储。史保森和丁冬生等经过长期的摸索，于近日实现更大螺旋带宽的高维OAM存储器。他们利用具有螺旋结构的泵浦光场去激发冷原子，激发出的光子与原子存储单元的OAM关联带宽得到明显的提升，并且OAM模式可以实现非对称的关联。经过研究人员的测量，带宽可以达到δl=27±2。对于轨道角动量l=30的模式，单光子和原子存储单元仍然具有高度的关联特性。这种技术方法原则上可以支持61维或者更高维OAM的量子存储。审稿人对该工作高度评价（I find this a relevant and worthwhile pursuit which likely will be of interest to the closer research community。）。该项工作为如何实现更高维OAM的量子存储提供了技术方法，对实现远距离大信息量量子信息传输具有重要意义，于近期在线发表于自然子刊《通讯物理》Communications Physics 2，100 (2019)。

        博士研究生董明新为该论文的并列第一作者。上述研究工作得到科技部、国家基金委、中科院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

        文章链接：https://www.nature.com/articles/s42005-019-0201-1