中國科大實現多自由度超糾纏態的量子存儲

　　中國科學技術大學教授、中國科學院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在量子存儲研究方向取得系列進展，該實驗室教授史保森小組實現了兩個存儲單元之間的高維糾纏及多自由度的超糾纏，主要研究成果分別于10月21日和11月14日發表在國際光學期刊《光：科學與應用》[Light: Sci. & Appl. 5, e16157 (2016)]和國際學術綜合期刊《自然-通訊》[Nat. Commun. 7, Article Number 13514 (2016)]上。

　　利用光子的軌道角動量（OAM）可以構成一個無限維的完備的Hilbert空間，將光子編碼在該空間可以大幅度增加光子的信息攜帶量，提高量子網絡的信道容量。此外，利用光子的高維編碼態可以實現諸如量子全息隱形傳態、量子鏡像密集編碼、全息量子計算等量子信息協議，還可以應用于量子力學基本問題如Bell不等式的檢驗等研究。量子糾纏是實現遠距離量子通信、可擴展線性量子計算的核心，而量子糾纏的存儲則是實現量子計算和量子網絡通信的關鍵技術之一。構建大信息量、長距離的量子網絡首先需要解決的問題就是高維糾纏的量子存儲。

　　近年來，史保森小組一直活躍于量子存儲的實驗研究領域，并利用激光冷卻與囚禁的冷原子系綜作為存儲介質開展高維量子存儲的系統研究，在2013年和2015年分別實現了OAM單光子[Nat. Commun. 4, 2527(2013)]和二維OAM糾纏[Phys. Rev. Lett. 114, 050502 (2015)]的量子存儲。最近，該小組在該領域再次取得新進展：他們首先利用第一個冷原子系綜的自發拉曼散射制備光子和原子自旋波的高維OAM糾纏，然后巧妙地通過成像系統把制備的單光子送到第二個冷原子系綜存儲下來，利用高維糾纏的witness判據證明了兩個作為存儲單元的原子系綜之間存在7維OAM糾纏。這項工作對高維量子信息網絡的構建具有重要意義。主要成果發表在《光：科學與應用》[Light: Sci. & Appl.

　　5，e16157 (2016)]上。

　　作為量子信息載體的光子之間既能在諸如偏振、路徑、空間模式等單個自由度之間產生糾纏，也可以同時在多個自由度實現糾纏，即產生所謂超糾纏。多自由度超糾纏相比于單自由度糾纏具有很多優點：可以實現更有效的Bell態測量，構建非對稱的光量子網絡，提高量子網絡的信道容量，也可有助于量子純化、量子計算的物理實現，還可以應用于量子力學基本問題如非局域性的深入研究等。近年來，關于超糾纏的研究成為量子信息領域的一個熱點，取得了許多重要進展，如超糾纏態的制備、基于超糾纏態的多自由度隱形傳態等。但迄今為止，如何實現超糾纏態的量子存儲、建立不同存儲單元之間的多自由度超糾纏，還未見任何報道。

　　史保森、丁冬生等開展了多自由度量子糾纏的存儲研究，他們首先基于原子系綜的自發拉曼過程，利用自鎖定的干涉技術產生了光子偏振與原子自旋波波矢的二維糾纏和光子與自旋波的OAM三維糾纏，而后將單光子送到第二個冷原子系綜，利用另一個自鎖定干涉儀將其存儲下來，從而在兩個原子系綜之間建立了自旋波波矢和OAM兩個自由度之間的超糾纏。該成果對構建不同自由度的混合量子網絡具有重要參考價值，對不同存儲單元之間不同自由度糾纏的兼容性問題研究具有重要意義。主要成果發表在Nat. Commun. 7, Article Number 13514 (2016)上。

　　博士研究生張偉分別為Light: Sci. & Appl.論文的并列第一作者和Nat. Commun.論文的第一作者。上述研究工作得到國家基金委、中科院、科技部和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。