圖1 多自由度復用量子存儲示意圖
 

　　由于不可克服的光纖信道損耗，目前地面安全量子通信距離被限制在百公里量級。基于量子存儲器的量子中繼方案可以有效克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離，所以量子存儲器是未來長程量子通信和量子網絡的核心器件。量子網絡實用化的關鍵指標是通信速率，而多模式復用量子存儲器可以極大地提升量子網絡的通信速率。對于經典的存儲器，如硬盤或者優盤等，其一個存儲單元一次只能存儲一個比特。而對量子存儲器，由于具有量子相干性，其一個存儲單元可以一次性存儲大量的量子比特，這就是復用的概念。原則上對量子存儲器的各個自由度都可以進行復用。
 

　　近年來，李傳鋒研究組一直致力于基于稀土摻雜晶體的復用量子存儲的實驗研究。2015年利用光子的空間自由度實現復用量子存儲，存儲維度數達到51維，至今保持固態量子存儲維度數高水平[Physical Review Letters 115, 070502 (2015)]，復用時，可以把每一維作為一個模式，那么空間自由度就有51個模式。同年，利用光子的時間自由度，實現了100個模式的確定性單光子量子存儲，至今保持復用固態量子存儲的模式數高水平[Nature Communications 6, 8652 (2015)]。
 

　　為了進一步提升量子存儲器的復用能力，研究組創新性地采用多自由度并行復用的存儲方案。比如在個自由度有M個存儲模式，第二個自由度有N個模式，第三個自由度有P個模式，則量子存儲器的總復用模式數為各個自由度模式數的乘積，即M*N*P。研究組選擇光子的時間、空間和頻率自由度進行并行復用，在上實現了跨越這三個自由度的復用量子存儲。實驗中采用了2個時間模式、2個頻率模式、3個空間模式，總模式數達到2*2*3=12個，實驗結果展示了多自由度并行復用量子存儲的可行性。這種提升量子存儲模式數的新方法，將在量子網絡和量子優盤的研究中具有重要應用。
 

 

圖2 多自由度復用量子存儲實驗裝置圖
 

　　在多模式復用的長程量子通信中，兩個中繼節點的工作模式可能各不相同，為了能夠執行進一步的糾纏交換，不同的中繼節點必須把工作模式變換到同一模式，這就需要模式變換功能。研究組巧妙地設計存儲方案和存儲裝置，展現他們的多自由度復用量子存儲器在時間及頻率自由度具備任意模式變換功能。
 

　　研究組還進一步證明他們的存儲器可以在時間和頻率自由度實現任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。實驗結果表明，在所有這些操作過程中，光子攜帶的三維空間量子態都保持了約89%的保真度。該存儲裝置可以實現Knill—Laflamme-Milburn型量子計算所需的所有操作，所以該成果還有望在線性光學量子計算等領域取得更多的應用。
 

　　論文作者為博士研究生楊天書。該工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。
 

　　(原文標題：中國科大實現多自由度復用的多功能固態量子存儲器)