中國科學(xué)家實現(xiàn)世界最高保真度的固態(tài)量子存儲器

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組，在固態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)了目前世界上最高保真度的量子存儲器，保真度高達99.9%。研究成果發(fā)表在5月11日出版的美國《物理評論快報》上，并被美國物理學(xué)會網(wǎng)站Physics Synopsis欄目作為亮點報道。量子存儲器是量子信息領(lǐng)域的核心器件之一，是量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼等基本量子信息過程的必需元件。同時，它還可用來實現(xiàn)量子中繼，以解決遠(yuǎn)程量子通訊中的信息損耗問題，以及用于分布式量子計算、量子精密測量等方面。

國際上常用的量子存儲器，如冷原子、玻色-愛因斯坦凝聚等，存在帶寬窄和擴展性差等缺點，難以應(yīng)用于實用化的量子網(wǎng)絡(luò)。近幾年興起的基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲器件雖然具有壽命長、穩(wěn)定性高、帶寬較寬且擴展性強等諸多優(yōu)點，在諸多性能指標(biāo)上已超越其他量子存儲器，但由于稀土離子摻雜晶體只對某一偏振態(tài)的光起作用，已研制出的固態(tài)量子存儲器都是針對單一偏振態(tài)的。在實際應(yīng)用中，光的各種偏振態(tài)是量子信息最方便的載體，怎樣實現(xiàn)光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲器成為國際學(xué)術(shù)界亟需解決的難題。

李傳鋒研究組利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體（一種性能優(yōu)良的激光晶體），分別處理光的兩種正交偏振態(tài)，同時把一片特殊設(shè)計的半波片置于兩塊晶體之間，來實現(xiàn)這兩種偏振態(tài)的互換。整個量子存儲器就像一片很小的“三明治”，緊湊而穩(wěn)定，便于擴展和集成。

在實驗中，他們摒棄了傳統(tǒng)的固態(tài)量子存儲方案中使用的共線式光路設(shè)計，設(shè)計出了交叉式光路，使得預(yù)處理用的泵浦光與待存儲的光不再重合，從而降低了泵浦光帶來的噪聲，極大地提高了存儲器的保真度。他們利用量子過程層析技術(shù)分析驗證該存儲器的保真度可達99.9%，遠(yuǎn)高于此前單光子偏振存儲95%的最高保真度，是當(dāng)前國際上各種量子存儲器中保真度最高的。審稿人稱贊說：“本工作新穎地解決了在固態(tài)器件中存儲偏振比特的重要問題”。

該研究首次實現(xiàn)了光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲，對進一步提高量子通信網(wǎng)絡(luò)、分布式量子計算網(wǎng)絡(luò)等元件的小型化和集成化具有重要意義。同時，此超高保真度量子存儲可應(yīng)用于容錯量子計算等具有苛刻要求的研究領(lǐng)域。

該項研究受到科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。