中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在長時間空間多模量子態(tài)存儲方向取得新進展：該團隊的史保森、丁冬生課題組利用磁場操控技術(shù)結(jié)合鐘態(tài)制備的方法實現(xiàn)了基于冷原子系綜的光子高維軌道角動量態(tài)的長時間存儲，相關(guān)成果10月31日以“Long-Lived Memory for Orbital Angular Momentum Quantum States”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上。

長距離量子通信的實現(xiàn)離不開量子中繼，其中量子存儲器是構(gòu)建量子中繼的核心。由于冷原子系綜具有集體增強效應(yīng)以及光譜一致性，可以有效地存儲光子的量子態(tài)，因此作為極具潛力的量子存儲器介質(zhì)而備受青睞。學(xué)術(shù)界的眾多工作表明，將多模存儲器布局到量子網(wǎng)絡(luò)中，能大幅度提高信道容量，因此多模量子存儲器的實現(xiàn)對于構(gòu)建高容量量子網(wǎng)絡(luò)具有重要價值。盡管多模量子存儲領(lǐng)域已取得重要進展，但基于冷原子系綜的長時間空間多模存儲還存在許多科學(xué)問題亟待解決，其中之一是難以保證所存多模量子態(tài)在長時間存儲之后仍具有較高的保真度：這是由于復(fù)雜的空間模式更容易受到周圍環(huán)境（例如磁場）的干擾造成的。

圖1 工作原理圖。(a)實驗裝置簡圖；(b)對稱式鐘態(tài)制備的能級結(jié)構(gòu)及原理示意圖；(c)基于電磁誘導(dǎo)透明的存儲的能級結(jié)構(gòu)。

史保森、丁冬生領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊利用銣冷原子體系，基于光子軌道角動量自由度，開展了高維多模光子態(tài)的長時間存儲研究，取得重要進展。在本工作中，團隊通過操控極化磁場壓制空間模式的橫向消相干、并通過制備磁不敏感態(tài)進一步延長存儲時間（如圖1所示）。團隊將帶有時序控制的反向泵浦光的熱原子池作為窄帶濾波器，實現(xiàn)了對單光子量級信號光的濾波和探測。

該工作以兩個三維軌道角動量疊加態(tài)（如圖2所示）為例開展長時間存儲研究，實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過400μs的存儲時間后絕對保真度遠(yuǎn)高于通過脈沖平均光子數(shù)和存儲效率計算出的量子-經(jīng)典界限，表明該存儲器仍可以工作在量子領(lǐng)域。同時，當(dāng)存儲時間從10μs延長到400μs時，存儲器的讀出效率由10.7%衰減到4.7%，降低了不到60%。研究成果對高容量量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有重要參考意義。

圖2 實驗結(jié)果。(a)保真度、效率隨存儲時間的變化以及量子-經(jīng)典界限，同時還通過ICCD記錄存儲的強相干光信號展示了存儲模式隨時間的變化；(b)重構(gòu)的讀出信號之密度矩陣。

該成果得到了審稿人的充分肯定：“…毫無疑問，此工作包含了有價值的結(jié)果，將對量子存儲器的設(shè)計和實現(xiàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響…”（“…No doubt, the manuscript contains highly relevant results, with high impact on the development of quantum memory design and realization…”）。

中科院量子信息重點實驗室的博士后葉英豪、博士生曾雷為本文的共同第一作者；丁冬生教授、史保森教授為本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技專項以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.193601

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/80977.htm

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