中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)99.9%世界最高保真度的固態(tài)量子存儲(chǔ)器
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組，在固態(tài)系統(tǒng)中首次實(shí)現(xiàn)單光子偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)器，保真度達(dá)99.9%，刷新世界紀(jì)錄。研究成果5月11日發(fā)表在美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被美國(guó)物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站“物理概要”欄目作亮點(diǎn)報(bào)道。
量子存儲(chǔ)器是量子信息領(lǐng)域的核心器件之一，是量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼等基本量子信息過(guò)程的必需元件。同時(shí)，它還可用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子中繼，以解決遠(yuǎn)程量子通信中的信息損耗問(wèn)題，以及用于分布式量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等。
國(guó)際上常用的量子存儲(chǔ)器存在帶寬窄和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，難以應(yīng)用于實(shí)用化的量子網(wǎng)絡(luò)。近幾年興起的基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)器，具有壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、帶寬較寬、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于這種晶體有雙折射效應(yīng)，不能用光的偏振狀態(tài)（光波的振動(dòng)狀態(tài)）來(lái)加載信息，而光的各種偏振態(tài)是量子信息最方便的載體。因此，怎樣實(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲(chǔ)器是國(guó)際學(xué)術(shù)界一大難題。
李傳鋒小組利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態(tài)，同時(shí)把一片特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)元件（波片）置于兩塊晶體之間，來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩種偏振態(tài)的互換。整個(gè)量子存儲(chǔ)器就像一片很小的“三明治”，緊湊而穩(wěn)定，擴(kuò)展和集成都十分方便。在實(shí)驗(yàn)中，他們擯棄了傳統(tǒng)的固態(tài)量子存儲(chǔ)方案中使用的“共線式”光路，設(shè)計(jì)出交叉式光路，使得預(yù)處理用的泵浦光與待存儲(chǔ)的光不再重合，降低了泵浦光帶來(lái)的噪聲，從而極大地提高了存儲(chǔ)器的保真度，可達(dá)99.9%，遠(yuǎn)高于此前單光子偏振存儲(chǔ)95%的最高保真度。
該成果對(duì)進(jìn)一步提高實(shí)用化量子通信網(wǎng)絡(luò)元件的小型化和集成化具有重要意義。該超高保真度量子存儲(chǔ)可應(yīng)用于容錯(cuò)量子計(jì)算等具有苛刻要求的研究領(lǐng)域。
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