中国科学家成功研究出实现多功能固态量子存储器,量子存储器原理。中国科学家成功研究出实现多功能固态量子存储器,前一段时间:中国中科院量子信息重点实验室李传锋研究组在国际上首次研制成功高维固态量子存储器,该成果为固态量子存储器的集成化、规模化应用打下重要基础。随着量子信息技术研究的不断突破,备受重视的量子通信业的发展和商业化应用有望进一步提速。目前,我国量子通信技术相对成熟,业内人士预计,由于量子通信绝对安全的特性,量子通信在军事通信、政府保密通信、民用通信上都将带来颠覆性的变革,未来市场容量极大,有望达到千亿元级别,相关上市公司值得关注。

  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。

  最近,中国科学院量子信息重点实验室李成峰,周宗权等人开发了一种多自由度(DOF)复用固态量子存储器,并展示了具有时频和自由度的光子脉冲操作函数。

  量子态与物质系统的可靠存储和相干操作使得能够构建基于量子中继器的大规模量子网络。为了实现有用的通信速率,将需要高度多模量子存储器来构造多路复用量子中继器。

  该团队首次展示了轨道状态的按需存储,在稀土离子掺杂晶体中,在单光子水平上具有弱相干脉冲。通过这种三维空间DOF与二维时间和二维光谱自由度的结合,该团队创建了一个多自由度存储器,具有高达3 * 2 * 2 = 12的多模式容量。

  该器件还可以用作具有高保真度的量子模式转换器,这是构建多路复用量子中继器的基本要求。

  该团队进一步证明该器件可以在时间和频率DOF内执行任意脉冲操作。代表性的操作包括脉冲序列器,多路复用器,选择性光谱移位器和可配置的分束器。实验结果表明,在所有这些操作中,光子携带的三维量子态保持了约89%的保真度。

  该存储装置可以实现Knill-Laflamme-Milburn型量子计算所需的所有操作,因此可以期望在线性光学量子计算领域中找到应用。

  由于量子信息不可复制且不可放大,量子存储器在量子信息中的地位比经典存储器在经典信息中的地位更加重要。国际上有许多研究组在从事量子存储器的研究,比较主流的物理系统是冷原子、热原子以及稀土离子掺杂晶体。目前量子存储器的各项独立指标都有比较好的结果,然而综合指标仍然距离量子中继的要求相差较远。

  量子计算需求的量子存储器综合指标相对低一些,但这种存储器的实际应用需要伴随量子计算研究的突破。

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