中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)世界最高保真度的固態(tài)量子存儲(chǔ)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組，在固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了目前世界上最高保真度的量子存儲(chǔ)器，保真度高達(dá)99.9%。研究成果發(fā)表在5月11日出版的美國《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被美國物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站Physics Synopsis欄目作為亮點(diǎn)報(bào)道。量子存儲(chǔ)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(shí)，它還可用來實(shí)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(jì)算、量子精密測量等方面。

國際上常用的量子存儲(chǔ)器，如冷原子、玻色-愛因斯坦凝聚等，存在帶寬窄和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，難以應(yīng)用于實(shí)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(chǔ)器件雖然具有壽命長、穩(wěn)定性高、帶寬較寬且擴(kuò)展性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在諸多性能指標(biāo)上已超越其他量子存儲(chǔ)器，但由于稀土離子摻雜晶體只對(duì)某一偏振態(tài)的光起作用，已研制出的固態(tài)量子存儲(chǔ)器都是針對(duì)單一偏振態(tài)的。在實(shí)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(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲(chǔ)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(shí)把一片特殊設(shè)計(jì)的半波片置于兩塊晶體之間，來實(shí)現(xiàn)這兩種偏振態(tài)的互換。整個(gè)量子存儲(chǔ)器就像一片很小的“三明治”，緊湊而穩(wěn)定，便于擴(kuò)展和集成。

在實(shí)驗(yàn)中，他們摒棄了傳統(tǒng)的固態(tài)量子存儲(chǔ)方案中使用的共線式光路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了交叉式光路，使得預(yù)處理用的泵浦光與待存儲(chǔ)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(chǔ)器的保真度。他們利用量子過程層析技術(shù)分析驗(yàn)證該存儲(chǔ)器的保真度可達(dá)99.9%，遠(yuǎn)高于此前單光子偏振存儲(chǔ)95%的最高保真度，是當(dāng)前國際上各種量子存儲(chǔ)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(chǔ)偏振比特的重要問題”。

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

該項(xiàng)研究受到科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。