【校际合作】我实验室首次实现基于量子存储器的量子安全直接通信

我实验室史保森教授、丁冬生副研究员与其理论合作者南京邮电大学盛宇波教授在国际上首次实现基于量子存储器的量子安全直接通信，进一步证明量子存储器在通信领域的巨大潜力。该研究成果于2017年5月31日发表在国际物理学权威期刊《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 118, 220501, (2017)]

量子安全直接通信（QSDC）在量子信道中直接传递秘密信息，其安全性基于量子不可克隆原理、量子测不准原理以及纠缠粒子的关联性和非定域性等。与量子密钥分发过程不同，在量子安全直接通信中，通信双方不需要事先生成密钥，而是在建立纠缠之后直接对纠缠信息进行编码通信，从而将一般意义上的量子通信简化为一步量子通信过程，即直接完成秘密信息的安全传输。 一般而言，量子通信协议的应用往往需要对信息在时域上进行有效的控制，因而将QSDC协议与量子存储相结合是实现实际通讯任务的必需条件。目前，在QSDC原理性演示实验中，光纤延迟线往往用来充当量子存储器从而实现对编码光子的存储。然而在实际应用中，量子存储的抗相干衰减和按需读取的特性使它能够保证对信息在时域上具有高效的操控，所以量子存储能够提供灵活、高效的即时通讯，同时也是未来量子网络中的必要功能单元。

史保森教授和丁冬生副研究员与其理论合作者盛宇波教授开展了基于量子存储器的量子安全直接通信研究。他们首先在第一个原子系综处（Alice处）通过自发拉曼过程，利用自锁定的干涉技术产生了光子偏振与原子自旋波波矢的纠缠，而后将单光子送到第二个冷原子系综（Bob处），利用另一个自锁定干涉仪将其存储下来，从而建立两个分离原子存储器之间的纠缠。接下来，将Alice处的原子自旋波恢复成光子，并对该光子进行偏振自由度上的编码，从而对这种光子－原子纠缠实现$I,\sigma_z,\sigma_x$和$i\sigma_y$的幺正变换，其对应编码信息分别为“00”, “01”, “10”和“11”。最后将编码后的光子再传输到Bob处，并将Bob处原来存储的光子读出，进行两光子联合测量，实现信息解码。该工作对于基于直接通信的量子网络的实现具有重要的参考价值。

博士研究生张伟为该论文的第一作者。这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.220501

这项工作得到了ORG物理官方报道：

https://phys.org/news/2017-06-physicists-quantum-memory.html