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中科大实现光子轨道角动量纠缠的量子存储

发明科技控中国仪表网2015年02月27日 14:16人气:5535

  【中国仪表网 发明科技控】日前,中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室史保森教授小组在高维量子中继研究方向取得重要进展,在国际上首次实现光子轨道角动量纠缠的量子存储,进一步证明了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的可行性。成果2月4日发表在国际物理学权威期刊《物理评论快报》上。
  
  光子的轨道角动量产生于电磁波螺旋前进的波前,可以构成一个无限维编码的空间。将光子编码在轨道角动量空间,可以大幅度增加光子的信息携带量。利用光子的高维编码态还可以提高量子密钥传输的安全性,实现二维编码态无法完成的量子信息协议。实现大信息量、长距离的量子信息传输,必须借助于量子中继器,而量子存储单元是构成量子中继器的核心,因此必须首先实现高维量子纠缠的存储。尽管人们已成功实现了携带轨道角动量信息的单光子存储,但到目前为止有关轨道角动量纠缠存储方面的研究仍是一片空白。



  
原子能级图和实验框架简图





利用量子层析技术构建的存储前(a和b)后(c和d)的纠缠态密度矩阵
 
  继2013年在国际上首次实现携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储后,史保森教授和博士生丁冬生等近期又实现了光子轨道角动量纠缠在两个存储单元之间的存储。该小组利用两个磁光阱制备了两个冷原子团,在其中一个冷原子团采用自发Raman过程制备了单光子与原子系综之间的纠缠。而后利用Raman存储协议将该光子存储于另一个作为存储介质的冷原子团中,从而实现了轨道角动量纠缠在两个原子系综之间的存储。
  
  为了检验纠缠特性,他们将原子系综之间的纠缠转移到光子之间。利用量子层析技术重构了纠缠态的密度矩阵,通过计算存储保真度、验证双光子CHSH不等式和检验双光子干涉可视度来表征纠缠程度。实验结果清晰地表明轨道角动量纠缠可以被高保真地存储。这项工作对实现高维量子中继和远距离大信息量量子信息传输具有重要意义。
  
  此外,该研究得到国家基金委、中科院、科技部和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。
(本文来源:中科院量子信息重点实验室、量子信息与量子科技前沿创新中心转载请注明出处
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