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中国首次实现99.9%世界最高保真度单光子偏振态量子存储器

导读: 中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组,在固态系统中首次实现单光子偏振态的量子存储器,保真度达99.9%,刷新世界纪录。

  中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组,在固态系统中首次实现单光子偏振态的量子存储器,保真度达99.9%,刷新世界纪录。研究成果5月11日发表在美国《物理评论快报》上,并被美国物理学会网站“物理概要”栏目作亮点报道。

  量子存储器是量子信息领域的核心器件之一,是量子隐形传态、量子密集编码等基本量子信息过程的必需元件。同时,它还可用来实现量子中继,以解决远程量子通信中的信息损耗问题,以及用于分布式量子计算、量子精密测量等。

  国际上常用的量子存储器存在带宽窄和扩展性差等缺点,难以应用于实用化的量子网络。近几年兴起的基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器,具有寿命长、稳定性高、带宽较宽、扩展性强等优点,但由于这种晶体有双折射效应,不能用光的偏振状态(光波的振动状态)来加载信息,而光的各种偏振态是量子信息最方便的载体。因此,怎样实现光子偏振态的固态量子存储器是国际学术界一大难题。

  李传锋小组利用两块1.4毫米厚的掺钕钒酸钇晶体,分别处理光的两种正交偏振态,同时把一片特殊设计的光学元件(波片)置于两块晶体之间,来实现这两种偏振态的互换。整个量子存储器就像一片很小的“三明治”,紧凑而稳定,扩展和集成都十分方便。在实验中,他们摈弃了传统的固态量子存储方案中使用的“共线式”光路,设计出交叉式光路,使得预处理用的泵浦光与待存储的光不再重合,降低了泵浦光带来的噪声,从而极大地提高了存储器的保真度,可达99.9%,远高于此前单光子偏振存储95%的最高保真度。

  该成果对进一步提高实用化量子通信网络元件的小型化和集成化具有重要意义。该超高保真度量子存储可应用于容错量子计算等具有苛刻要求的研究领域。

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