记者从中国科大获悉，该校郭光灿院士团队李传锋、周宗权等人成功研制出多自由度并行复用的固态量子存储器，在国际上首次实现跨越3个自由度的复用量子存储，并展示了时间和频率自由度的任意光子脉冲操作功能。该成果近日发表在国际期刊《自然·通讯》上。
图1）多自由度复用量子存储示意图
图2）多自由度复用量子存储实验装置图
由于不可克服的光纤信道损耗，目前地面安全量子通信距离被限制在百公里量级。基于量子存储器的量子中继方案可以有效克服信道损耗从而拓展量子通信的工作距离，所以量子存储器是未来长程量子通信和量子网络的核心器件。而对量子存储器，由于具有量子相干性，其一个存储单元可以一次性存储大量的量子比特，这就是复用的概念。原则上对量子存储器的各个自由度都可以进行复用。
为了进一步提升量子存储器的复用能力，研究组创新性地采用多自由度并行复用的存储方案。比如在第一个自由度有M个存储模式，第二个自由度有N个模式，第三个自由度有P个模式，则量子存储器的总复用模式数为各个自由度模式数的乘积，即M×N×P。研究组选择光子的时间、空间和频率自由度进行并行复用，在国际上率先实现了这3个自由度的复用量子存储。实验中采用了2个时间模式、2个频率模式、3个空间模式，总模式数达到2×2×3=12个，实验结果展示了多自由度并行复用量子存储的可行性。
研究组还进一步证明他们的存储器可以在时间和频率自由度实现任意脉冲操作，代表性的操作包括脉冲排序、分束、分频、异频光子合束和窄带滤波等。实验结果表明，在所有这些操作过程中，光子携带的三维空间量子态都保持了约89%的保真度。该成果还有望在线性光学量子计算等领域取得更多的应用。
