中国科学家实现世界最高保真度的固态量子存储器

近日，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李传锋研究组，在固态系统中实现了目前世界上最高保真度的量子存储器，保真度高达99.9%。研究成果发表在5月11日出版的美国《物理评论快报》上，并被美国物理学会网站Physics Synopsis栏目作为亮点报道。量子存储器是量子信息领域的核心器件之一，是量子隐形传态、量子密集编码等基本量子信息过程的必需元件。同时，它还可用来实现量子中继，以解决远程量子通讯中的信息损耗问题，以及用于分布式量子计算、量子精密测量等方面。

国际上常用的量子存储器，如冷原子、玻色-爱因斯坦凝聚等，存在带宽窄和扩展性差等缺点，难以应用于实用化的量子网络。近几年兴起的基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器件虽然具有寿命长、稳定性高、带宽较宽且扩展性强等诸多优点，在诸多性能指标上已超越其他量子存储器，但由于稀土离子掺杂晶体只对某一偏振态的光起作用，已研制出的固态量子存储器都是针对单一偏振态的。在实际应用中，光的各种偏振态是量子信息最方便的载体，怎样实现光子偏振态的固态量子存储器成为国际学术界亟需解决的难题。

李传锋研究组利用两块1.4毫米厚的掺钕钒酸钇晶体（一种性能优良的激光晶体），分别处理光的两种正交偏振态，同时把一片特殊设计的半波片置于两块晶体之间，来实现这两种偏振态的互换。整个量子存储器就像一片很小的“三明治”，紧凑而稳定，便于扩展和集成。

在实验中，他们摒弃了传统的固态量子存储方案中使用的共线式光路设计，设计出了交叉式光路，使得预处理用的泵浦光与待存储的光不再重合，从而降低了泵浦光带来的噪声，极大地提高了存储器的保真度。他们利用量子过程层析技术分析验证该存储器的保真度可达99.9%，远高于此前单光子偏振存储95%的最高保真度，是当前国际上各种量子存储器中保真度最高的。审稿人称赞说：“本工作新颖地解决了在固态器件中存储偏振比特的重要问题”。

该研究首次实现了光子偏振态的固态量子存储，对进一步提高量子通信网络、分布式量子计算网络等元件的小型化和集成化具有重要意义。同时，此超高保真度量子存储可应用于容错量子计算等具有苛刻要求的研究领域。

该项研究受到科技部和国家自然科学基金委的资助。