實驗裝置示意圖

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現(xiàn)了百毫秒高效量子存儲器，為遠(yuǎn)距離量子中繼系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了堅實基礎(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。審稿人對這一工作的重要性給予高度認(rèn)可，并稱贊這一實驗為“非凡絕技”（extraordinary tour de force）。

量子中繼可以解決光子信號在光纖內(nèi)指數(shù)衰減的重大難題，是未來實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離量子通信的重要途徑之一。量子通信被認(rèn)為是絕對安全的通信方式，其基本原理是利用單個光子加密攜帶一個量子比特的信息進行傳輸。目前量子通信只能達到百公里量級，要實現(xiàn)千公里以上的長程量子通信則需要基于量子存儲的量子中繼技術(shù)。

此前已經(jīng)實現(xiàn)的量子中繼方案，長程發(fā)送一個量子比特的信息所需時間在分鐘量級以上。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，其核心是量子存儲技術(shù)，通過對光子比特進行緩存，可大幅提升糾纏連接效率。為滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實際需求，量子存儲器需要對單量子態(tài)進行長時間存儲且具備高讀出效率。

近年來，量子存儲的實驗研究進展很快，但到目前為止，還沒有一個體系能夠在存儲時間和效率方面同時滿足量子中繼需求。

冷原子系綜是量子存儲實驗研究的一個重要物理體系，它的主要優(yōu)點包括操縱手段豐富、退相干機制簡單等。

為進一步提升存儲時間，潘建偉小組近年來發(fā)展了三維光晶格限制原子運動等多項關(guān)鍵實驗技術(shù)，使得原子運動導(dǎo)致的退相干得到大幅抑制，并最終成功實現(xiàn)了存儲壽命達到0.22秒、讀出效率達到76%的高性能量子存儲器。這一實驗結(jié)果與2012年的工作相比，存儲壽命提升了近兩個數(shù)量級。

該實驗的重要意義在于，第一次將存儲壽命及讀出效率提升到能夠滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實際需求。據(jù)估算，該成果結(jié)合多模存儲、高效通訊波段接口等技術(shù)，已原理上可支持通過量子中繼實現(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信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中科院-阿里巴巴量子計算實驗室、基金委、科技部、教育部等國家有關(guān)部門的支持。

相關(guān)研究進展

2012年，潘建偉、包小輝等首次實現(xiàn)了毫秒級的高效量子存儲器，但該存儲時間仍與遠(yuǎn)距離量子中繼的實際需求相距較遠(yuǎn)。

2012年5月，中科院院士、中科大教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組在固態(tài)系統(tǒng)中首次實現(xiàn)單光子偏振態(tài)的量子存儲器，保真度達99.9%，刷新世界紀(jì)錄。

2013年，世界上首個可以存儲單光子形狀的量子存儲器在中國誕生。

2015年8月，李傳鋒研究組首次成功研制高維固態(tài)量子存儲器。

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