中科院量子存儲器刷新紀錄之歷程
一個看上去尚且粗糙的「小鏡框」，在中科院量子信息重點實驗室呆萌6個年頭了。這個外行看不明白、長得像玻璃三明治的鏡框，由兩塊晶體夾著一個半波片組成，能收藏光子，學名叫量子存儲器。它是中科院院士郭光燦的心頭肉，更是李傳鋒研究小組的心尖兒。截至目前，這個小三明治已拿下了多個國際「首次」的頭銜。最近一次刷新紀錄，在8月24日的《自然·通訊》。
早在2012年玻璃三明治出生時，所存儲的偏振光子保真度達99.9%，當即就創下了世界第一的名份。6年來，國內外迄今無研究小組打破紀錄。
「把光子存儲到超長壽命的稀土摻雜的晶體中，若將其放在液氦溫度下，用高鐵等運到很遠的地方，就可以實現遠距離量子通信了，這就是量子優盤，是量子中繼之外新的量子通信方案。」李傳鋒用微信告訴記者。
「量子通信依賴光纖信道，在信息傳遞過程中會有損耗。」李傳鋒研究小組成員周宗權介紹，目前地面安全量子通信距離被限制在百公里量級，為了使信息完整無誤傳遞，採用量子存儲器的量子中繼方案，可有效克服信道的損耗，即可拓展量子通信的工作距離。所以，量子存儲器無疑是未來實現長距離量子通信和量子網路的核心器件。
「量子網路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路的通信速率。」李傳鋒解釋。
對於經典的存儲器，如硬碟或者優盤等，其一個存儲單元一次只能存儲一個比特。而對量子存儲器，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。理論上，量子存儲器的各個自由度應該都可以進行復用。
為了實現復用和提高復用率，李傳鋒研究組進行了連續多年的探究。2015年，他們首次利用光子的空間自由度，實現了復用量子存儲，使這塊玻璃三明治存儲的維度數達到51維，這個存儲維度保持至今，也是科技界的最高水平。這項成果的論文，發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters 115, 070502 (2015)）。
「復用時，可以把每一維作為個模式，那麼空間自由度就有51個模式。」周宗權給記者推理了一番。
他記得，就在同一年，研究小組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，又一次創造並保持至今復用固態量子存儲的模式數最高水平。研究進展發表在《自然·通信》（Nature Communications 6, 8652 (2015)）。
但研究小組並未停止前行。他們又開始琢磨：採用多自由度並行復用的存儲方案。
如在第一個自由度有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。於是，研究組選擇光子的時間、空間和頻率自由度開展並行復用研究，再一次在國際上率先實現了跨越這三個自由度的復用量子存儲。
實驗中，研究小組採用了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，展示了多自由度並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，將在量子網路和量子優盤的研究中無疑具有重要應用。
「研究至此，量子通信長距離傳輸的問題尚未得到徹底解決。」李傳鋒說。
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。為此，研究組設計了新的存儲方案和存儲裝置，展現出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。
研究組進一步證明，他們的玻璃三明治可以在時間和頻率自由度，實現任意脈衝操作，代表性的操作包括脈衝排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。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。這就是存儲裝置可以實現線性光學量子計算機所需的所有操作，這項成果有望在量子計算等領域獲得更多的應用。這一新的成果，於8月24日刊登在《自然·通訊》上。
李傳鋒告訴記者，「所有這些研究，一直以來都是在科技部、國家自然科學基金委和中科院量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助下完成的。我們現在的存儲壽命是5小時，接下來如果玻璃三明治能長時間存儲光子，讀出光子，並能運動起來，且能屏蔽周圍環境的影響，量子優盤就完成了原理性驗證實驗。若要進入實際應用，還需要進一步提升壽命、提高容量等後續工作」。
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