記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室在高維量子信息存儲方面取得重要進展，該實驗室史保森教授研究小組在國際上首次實現(xiàn)攜帶軌道角動量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲，邁出了基于高維量子中繼器實現(xiàn)遠距離大信息量量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵一步。該成果近日在線發(fā)表在《自然?通訊》上。

      量子通信系統(tǒng)中作為載體的單光子所攜帶的信息量的大小與所處編碼的空間維數(shù)有關(guān)。目前光子主要編碼在一個二維空間，一個光子攜帶的信息量是一個比特。如果能將光子編碼在一個高維空間，如無限維的軌道角動量空間，則單個光子所能攜帶的信息量將大幅度增加，極大地提高量子通信的效率，同時還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩裕⒃诹孔恿W的一些基本問題研究方面有非常重要的應(yīng)用。

      遠距離量子通信的實現(xiàn)和量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成必須借助于量子中繼器，而量子存儲單元是量子中繼器的核心，實現(xiàn)光子攜帶信息在存儲單元中的存儲是實現(xiàn)中繼功能的關(guān)鍵。雖然這方面的研究已取得重大進展，但迄今為止實驗存儲的單光子均為高斯脈沖，且被編碼于二維空間，只能實現(xiàn)一個比特的存儲。因此，能否實現(xiàn)編碼于高維空間光子的量子存儲是提高量子通信效率、構(gòu)建基于高維中繼器的遠距離量子通信系統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

      史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解決上述問題。最近，他們首次成功實現(xiàn)了攜帶軌道角動量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖的存儲，證明高維量子態(tài)的存儲是完全可行的。該小組通過兩個磁光阱制備了兩個冷原子團，利用其中一個冷原子團制備標記單光子，并使該光子攜帶一定的軌道角動量，具有特殊的空間結(jié)構(gòu)。然后利用原子與光的相互作用將它存儲于另一個作為存儲介質(zhì)的冷原子團中，結(jié)果證明單光子攜帶的軌道角動量及其疊加態(tài)都可以被高保真地存儲。