光子与原子系综之间空间关联的实验研究

量子通信是通过在相距任意距离的通信双方之间建立最大纠缠态，进而利用此纠缠态完成各种量子通信协议的方式实现的。在通信双方之间每建立一个最大纠缠态一般能够实现1qubit的量子信息交换。理论分析表明在理想条件下，采用目前最有效的量子中继方案，在两个相距500至600公里距离的通信节点之间建立一个最大纠缠态所需要的时间最快也在秒量级，这充分反映出量子资源的珍稀性，因而如何提高量子资源的利用效率自然而然成为一个非常值得关注和研究的热点问题。一条解决此问题的有效途径是提高载体的信息携带量，即在现有的条件下提高单个纠缠对的信息携带量。本项目拟通过基于原子系综的自发Raman过程制备光子与原子系综的轨道角动量之间以及空间横向动量与位置之间的纠缠，建立光子与原子系综之间的空间关联，实现光子与原子系综之间的高维量子态纠缠，为进一步利用量子中继实现通信节点之间大信息量的传输打下坚实基础。

量子通信是通过首先在相距任意距离的通信双方之间建立最大纠缠态，进而利用此纠缠态完成各种量子通信协议的方式实现的。在通信双方之间每建立一个最大纠缠态一般能够实现1qubit 的量子信息交换。理论分析表明在理想条件下，即使采用目前最有效的量子中继方案，在两个相距500至600公里距离的通信节点之间建立一个最大纠缠态所需要的时间最快也在秒量级，这充分反映出量子资源的珍稀性，因而如何提高量子资源的利用效率自然而然就成为一个非常值得关注和研究的热点问题。一条解决此问题的有效途径是通过提高载体的信息携带量实现的：即提高单个纠缠对的信息携带量，这样可在不改变通信速率的条件下提高信息的传输率。提高信息携带量可通过将信息编码在载体的高维空间（如由轨道角动量构建）实现。在此基础上通过高维量子态的存储，结合量子纠缠交换，我们可以实现高维量子中继，进而实现大信息量量子网络。在本项目的大力支持下，我们以原子系综为存储介质，以光子为信息载体，以光子的轨道角动量为信息编码自由度，紧紧围绕光与原子系综之间的相互作用这一核心内容开展工作，经过四年的不懈努力，完成了预定任务，实现了预期目标，在以下几个方面取得突破性进展：1.首次实现了携带轨道角动量的单光子存储；2.首次实现了轨道角动量纠缠态的存储；3.首次实现了轨道角动量单光子的量子接口。同时在4.轨道角动量光的非线性变频以及5.基于轨道角动量的精密测量等方面也取得重要进展。此外在本项目的部分资助下，我们还在高速量子存储器的实现、非线性光学过程中光学前驱波的观测等领域取得突破性进展，做出了具有国际影响力的创新成果，对相关方向的研究发展具有重要推动作用。本课题在国际顶尖学术刊物发表多篇高水平的学术论文，获得相关研究领域同行的高度关注，在国际国内均具有较大的影响。研究成果主要以学术论文的形式体现。受本项目资助发表的学术论文有40余篇，包括Nature Photonics和Nature Communications（各1篇）、PRL（2篇）、Light: Science & Applications （1篇）等一区文章5篇，Optica和 Sci. Rep.（各1篇）、PRA（10篇）、Opt. Lett.（3篇）、Opt. Express. （6篇）、New. J. Phys. （1篇）、APL（2篇）等2区论文24篇。除此而外，我们完善了实验设施，改