全球首次：中國實(shí)現(xiàn)百毫秒級(jí)高效量子存儲(chǔ)器

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、包小輝等采用冷原子系綜在國際上首次實(shí)現(xiàn)了百毫秒高效量子存儲(chǔ)器，為遠(yuǎn)距離量子中繼系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該成果5月31日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。審稿人對(duì)這一工作的重要性給予高度認(rèn)可，并稱贊這一實(shí)驗(yàn)為“非凡絕技”(extraordinary tour de force)。

　　根據(jù)觀察者網(wǎng)報(bào)道，量子中繼可以解決光子信號(hào)在光纖內(nèi)指數(shù)衰減的重大難題，是未來實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離量子通信的重要途徑之一。量子通信被認(rèn)為是絕對(duì)安全的通信方式，其基本原理是利用單個(gè)光子加密攜帶一個(gè)量子比特的資訊進(jìn)行傳輸。目前量子通信只能達(dá)到百公里量級(jí)，要實(shí)現(xiàn)千公里以上的長(zhǎng)程量子通信則需要基于量子存儲(chǔ)的量子中繼技術(shù)。

　　此前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的量子中繼方案，長(zhǎng)程發(fā)送一個(gè)量子比特的資訊所需時(shí)間在分鐘量級(jí)以上。量子中繼的基本原理是采用分段糾纏分發(fā)與糾纏交換相結(jié)合來拓展通信距離，其核心是量子存儲(chǔ)技術(shù)，透過對(duì)光子比特進(jìn)行緩存，可大幅提升糾纏連接效率。為滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求，量子存儲(chǔ)器需要對(duì)單量子態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)且具備高讀出效率。

　　近年來，量子存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展很快，但到目前為止，還沒有一個(gè)體系能夠在存儲(chǔ)時(shí)間和效率方面同時(shí)滿足量子中繼需求。冷原子系綜是量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)重要物理體系，它的主要優(yōu)點(diǎn)包括操縱手段豐富、退相干機(jī)制簡(jiǎn)單等。

　　為進(jìn)一步提升存儲(chǔ)時(shí)間，潘建偉小組近年來發(fā)展了三維光晶格限制原子運(yùn)動(dòng)等多項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使得原子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的退相干得到大幅抑制，并最終成功實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)壽命達(dá)到0.22秒、讀出效率達(dá)到76%的高性能量子存儲(chǔ)器。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2012年的工作相比，存儲(chǔ)壽命提升了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　該實(shí)驗(yàn)的重要意義在于，第一次將存儲(chǔ)壽命及讀出效率提升到能夠滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求。據(jù)估算，該成果結(jié)合多模存儲(chǔ)、高效通訊波段介面等技術(shù)，已原理上可支援透過量子中繼實(shí)現(xiàn)500公里以上糾纏分發(fā)，并超越光纖直接傳輸極限。

　　該研究工作得到了中科院量子資訊與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中科院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、基金委、科技部、大陸教育部等國家有關(guān)部門的支援。

　　相關(guān)研究進(jìn)展

　　2012年，潘建偉、包小輝等首次實(shí)現(xiàn)了毫秒級(jí)的高效量子存儲(chǔ)器，但該存儲(chǔ)時(shí)間仍與遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求相距較遠(yuǎn)。

　　2012年5月，中科院院士、中科大教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子資訊重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組在固態(tài)系統(tǒng)中首次實(shí)現(xiàn)單光子偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)器，保真度達(dá)99.9%，刷新世界紀(jì)錄。

　　2013年，世界上首個(gè)可以存儲(chǔ)單光子形狀的量子存儲(chǔ)器在大陸誕生。

　　2015年8月，李傳鋒研究組首次成功研制高維固態(tài)量子存儲(chǔ)器。

　　2015年10月，李傳鋒研究組成功實(shí)現(xiàn)確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)，一次可以存儲(chǔ)100個(gè)量子比特，創(chuàng)造了世界最高水平。