中国科大实现多自由度超纠缠态的量子存储

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在量子存储研究方向取得系列进展，该实验室史保森教授小组实现了两个存储单元之间的高维纠缠及多自由度的超纠缠，主要研究成果分别于10月21日和11月14日发表在国际光学权威期刊《光：科学与应用》[Light: Sci. & Appl. 5, e16157 (2016)]和国际著名学术综合期刊《自然-通讯》[Nat. Commun. 7, Article Number 13514 (2016)]上。

　　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。此外，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。量子纠缠是实现远距离量子通信、可扩展线性量子计算的核心，而量子纠缠的存储则是实现量子计算和量子网络通信的关键技术之一。构建大信息量、长距离的量子网络首先需要解决的问题就是高维纠缠的量子存储。

　　近年来，史保森小组一直活跃于量子存储的实验研究领域，并利用激光冷却与囚禁的冷原子系综作为存储介质开展高维量子存储的系统研究，在2013年和2015年分别实现了OAM单光子[Nat. Commun. 4, 2527(2013)]和二维 OAM纠缠[Phys. Rev. Lett. 114, 050502 (2015)]的量子存储。最近，该小组在该领域再次取得重要进展：他们首先利用第一个冷原子系综的自发拉曼散射制备光子和原子自旋波的高维OAM纠缠，然后巧妙地通过成像系统把制备的单光子送到第二个冷原子系综存储下来，利用高维纠缠的witness判据证明了两个作为存储单元的原子系综之间存在7维OAM纠缠。这项工作对高维量子信息网络的构建具有重要意义。主要成果发表在《光：科学与应用》[Light: Sci. & Appl.　5，e16157 (2016)]。

　　作为量子信息载体的光子之间既能在诸如偏振、路径、空间模式等单个自由度之间产生纠缠，也可以同时在多个自由度实现纠缠，即产生所谓超纠缠。多自由度超纠缠相比于单自由度纠缠具有很多优点：可以实现更有效的Bell态测量，构建非对称的光量子网络，提高量子网络的信道容量，也可有助于量子纯化、量子计算的物理实现，还可以应用于量子力学基本问题如非局域性的深入研究等。近年来，关于超纠缠的研究成为量子信息领域的一个热点，取得了许多重要进展，如超纠缠态的制备、基于超纠缠态的多自由度隐形传态等。但迄今为止，如何实现超纠缠态的量子存储、建立不同存储单元之间的多自由度超纠缠，还未见任何报道。

　　史保森教授、丁冬生副研究员等开展了多自由度量子纠缠的存储研究，他们首先基于原子系综的自发拉曼过程，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二维纠缠和光子与自旋波的OAM三维纠缠，而后将单光子送到第二个冷原子系综，利用另一个自锁定干涉仪将其存储下来，从而在两个原子系综之间建立了自旋波波矢和OAM两个自由度之间的 超纠缠。该项成果对构建不同自由度的混合量子网络具有重要参考价值，对不同存储单元之间不同自由度纠缠的兼容性问题研究具有重要意义。主要成果发表在Nat. Commun. 7, Article Number 13514 (2016)。

　　博士研究生张伟分别为Light论文的并列第一作者和NC论文的第一作者。这两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。

（中科院量子信息重点实验室、量子信息与量子科技前沿创新中心、科研部）

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