中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子中繼、量子網(wǎng)絡(luò)的研究中取得新進(jìn)展：該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組成功實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)發(fā)射的確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)。該成果在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)與固態(tài)量子存儲(chǔ)器兩種不同固態(tài)系統(tǒng)之間的對(duì)接，并且實(shí)現(xiàn)了100個(gè)時(shí)間模式的多模式量子存儲(chǔ)，模式數(shù)創(chuàng)造世界最高水平，為量子中繼和全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。研究成果發(fā)表在10月15日的《自然·通訊》上。

　　糾纏分發(fā)是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。由于信道中不可避免的傳輸損耗，目前在信道中直接進(jìn)行糾纏分發(fā)只能達(dá)到百公里量級(jí)，要想實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程的糾纏分發(fā)則需要基于單光子量子存儲(chǔ)和兩光子Bell基測(cè)量的量子中繼技術(shù)。目前已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的量子存儲(chǔ)或量子中繼方案都是基于概率性光源（光子產(chǎn)生幾率一般低于1%且存在多光子項(xiàng)）的存儲(chǔ)，這類方案的長(zhǎng)程糾纏分發(fā)時(shí)間預(yù)計(jì)將在分鐘量級(jí)以上。

　　李傳鋒研究組利用自組織量子點(diǎn)產(chǎn)生確定性單光子源（原則上光子產(chǎn)生幾率100%且每次有且僅有單個(gè)光子），然后通過(guò)光纖傳輸?shù)?SPAN style="BORDER-BOTTOM: 0px; BORDER-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.8; LIST-STYLE-TYPE: none; MARGIN: 0px 0px 12px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-RIGHT: 0px; FONT-SIZE: 10.5pt; OVERFLOW: hidden; BORDER-TOP: 0px; BORDER-RIGHT: 0px; PADDING-TOP: 0px">5米外的另一張光學(xué)平臺(tái)上的固態(tài)量子存儲(chǔ)器中。他們一方面利用局部光學(xué)加熱方法調(diào)節(jié)單光子的波長(zhǎng)與固態(tài)量子存儲(chǔ)器的操作波長(zhǎng)相匹配，另一方面利用光學(xué)頻率梳技術(shù)把單光子存儲(chǔ)到研究組自主研發(fā)的“三明治”型固態(tài)量子存儲(chǔ)器[PRL 108, 190505; PRL 115, 113002]中，并測(cè)得單光子偏振態(tài)的存儲(chǔ)保真度為91.3%。研究組進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)確定性單光子的100個(gè)時(shí)間模式的多模式量子存儲(chǔ)，模式數(shù)創(chuàng)造了世界最高水平。

　　該項(xiàng)成果實(shí)驗(yàn)演示了加速糾纏分發(fā)的兩個(gè)最重要的要素，即確定性量子光源和多模式量子存儲(chǔ)。前者可以指數(shù)加速糾纏分發(fā)，后者則可以線性加速，兩者結(jié)合在一起預(yù)計(jì)可以使長(zhǎng)程糾纏分發(fā)的時(shí)間縮短到毫秒量級(jí)。該成果還首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)固態(tài)量子節(jié)點(diǎn)，即量子點(diǎn)和固態(tài)量子存儲(chǔ)器的對(duì)接，向?qū)崿F(xiàn)全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)邁出了重要的一步。

　　審稿人對(duì)該成果給予了高度評(píng)價(jià)：“（連接）純固態(tài)量子光源和固態(tài)量子存儲(chǔ)器對(duì)該領(lǐng)域具有顯著的貢獻(xiàn)”、“該工作朝著（量子中繼的）正確的方向邁出了重要的一步”。

　　文章的共同第一作者為唐建順（量子點(diǎn)）和周宗權(quán)（固態(tài)存儲(chǔ)）。這項(xiàng)工作得到國(guó)家基金委、中科院、科技部和教育部的資助。

　　量子網(wǎng)絡(luò)示意圖。小球表示量子節(jié)點(diǎn)，線表示信道，不同節(jié)點(diǎn)間利用信道傳輸光子進(jìn)行連接。不同顏色的小球代表構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)的各種不同量子系統(tǒng)。右下角插圖展示了量子點(diǎn)與固態(tài)量子存儲(chǔ)器的能級(jí)結(jié)構(gòu)。