世界首个百毫秒高效量子存储器在中国诞生

中国科学技术大学潘建伟、包小辉等采用冷原子系综在国际上首次实现了百毫秒高效量子存储器，为远距离量子中继系统的构建奠定了坚实基础。该成果5月31日发表在国际权威学术期刊《自然·光子学》上。审稿人对这一工作的重要性给予高度认可，并称赞这一实验为“非凡绝技”（extraordinary tour de force）。

量子中继可以解决光子信号在光纤内指数衰减的重大难题，是未来实现超远距离量子通信的重要途径之一。量子通信被认为是绝对安全的通信方式，其基本原理是利用单个光子加密携带一个量子比特的信息进行传输。目前量子通信只能达到百公里量级，要实现千公里以上的长程量子通信则需要基于量子存储的量子中继技术。

实验装置示意图

此前已经实现的量子中继方案，长程发送一个量子比特的信息所需时间在分钟量级以上。量子中继的基本原理是采用分段纠缠分发与纠缠交换相结合来拓展通信距离，其核心是量子存储技术，通过对光子比特进行缓存，可大幅提升纠缠连接效率。为满足远距离量子中继的实际需求，量子存储器需要对单量子态进行长时间存储且具备高读出效率。

近年来，量子存储的实验研究进展很快，但到目前为止，还没有一个体系能够在存储时间和效率方面同时满足量子中继需求。

冷原子系综是量子存储实验研究的一个重要物理体系，它的主要优点包括操纵手段丰富、退相干机制简单等。

为进一步提升存储时间，潘建伟小组近年来发展了三维光晶格限制原子运动等多项关键实验技术，使得原子运动导致的退相干得到大幅抑制，并最终成功实现了存储寿命达到0.22秒、读出效率达到76%的高性能量子存储器。这一实验结果与2012年的工作相比，存储寿命提升了近两个数量级。

该实验的重要意义在于，第一次将存储寿命及读出效率提升到能够满足远距离量子中继的实际需求。据估算，该成果结合多模存储、高效通讯波段接口等技术，已原理上可支持通过量子中继实现500公里以上纠缠分发，并超越光纤直接传输极限。

该研究工作得到了中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中科院-阿里巴巴量子计算实验室、基金委、科技部、教育部等国家有关部门的支持。

相关研究进展

2012年，潘建伟、包小辉等首次实现了毫秒级的高效量子存储器，但该存储时间仍与远距离量子中继的实际需求相距较远。

2012年5月，中科院院士、中科大教授郭光灿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首次实现单光子偏振态的量子存储器，保真度达99.9%，刷新世界纪录。

2013年，世界上首个可以存储单光子形状的量子存储器在中国诞生。

2015年8月，李传锋研究组首次成功研制高维固态量子存储器。

2015年10月，李传锋研究组成功实现确定性单光子的多模式固态量子存储，一次可以存储100个量子比特，创造了世界最高水平。