固态量子存储基本问题的实验研究

Faithfully storing an unknown quantum light state is essential to advanced quantum communication and distributed quantum computation applications. Quantum memory is essential for the development of many devices in quantum information processing, including a synchronization tool that matches various processes within a quantum computer, a tool to convert heralded photons to photons-on-demand and a quantum repeater for long-distance quantum communication. Rare-earth ion-doped solids provide a particular electronic structure that can be seen as a frozen gas of atoms, they have already shown excellent capability to store quantum light for extended periods with high efficiency and a large bandwidth. We will start the experimental research on realization of solid state quantum memory with our frequency stabilized Ti:Sappier laser and Spectromag systems. By utilizing the carefully prepared pairs of Nd:YVO4 crystals under certain magnetic field, we can obtain the reversible transfer of photonic polarization states into collective atomic excitation in a solid-state device, which provide practical solid state quantum memory for quantum networks. We will also investigate the optical precursor phenomenon in slow light crystals. With our recently proposal of accurately measuring the speed of optical precursors, accurate bound on the information speed in dispersive medium should be experimentally obtained. This should provide a strict test of whether the information velocity with medium violates the Einstein causality.

未来实用化量子网络的构建将依赖于量子存储器的实现，利用量子存储器还可获得确定性的单光子源、纠缠光源，为量子计算实现量子比特的时间同步。基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器，自2008年首次实现弱光场存储后，实验技术迅速突破，已成为国际上性能最优秀的量子存储器件。依托本课题组已有的连续钛宝石激光器、低温强磁场系统，我们在国内率先开展固态量子存储的实验研究。本项目将利用稳频激光对稀土掺杂晶体吸收谱实现精密操控，在特定组合的低掺杂Nd:YVO4晶体中，配合特定取向的磁场，实现对光场偏振态的存储，为量子中继和量子网络提供实用化的固态量子存储器；并利用光谱烧孔引起的慢光过程，在掺杂晶体中观察Precursor现象。结合我们最近提出的精确测定Precursor速度的实验方案，实验给出色散介质中信息传播的极限速度，从而给极端环境通信和光通信领域的信息传输提供新的思路。

在本项目中，我们研究了固态量子存储、线性光学量子模拟等量子信息领域的重要问题。项目组共发表SCI论文49篇，包括Nature Photonics 2篇，Nature Comm. 4篇，PRL 10篇，PRX 1篇，Science Advances 1篇。取得了一系列成果，包括：1）系统研究基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器，首次实现了高维纠缠态的固态量子存储，实现了量子点确定性单光子源的多模式固态量子存储，并利用稀土掺杂晶体在宏观系统中研究量子力学与经典的界限。项目组在量子存储的保真度（99.9%）、多模式数目（100个模式）和量子存储维度数目（51维）等指标上创造国际最高水平。2）在量子模拟研究中，项目组提出利用辅助比特引入哈密顿量，从而在线性光学系统中实现量子模拟，并用来实现麦克斯韦妖式量子算法冷却为解决量子计算与量子模拟的初始化问题提供重要方法；研制出非局域量子模拟器用来研究PT系统中的超光速通讯问题；在简单量子系统中研究Kibble-Zurek机制；首次研究马约拉纳费米子的量子统计特性。3）在纠缠与非局域性的研究中，项目组制备出高纯度多光子纠缠态从而实现六体的非局域性检验实验；实现非此即彼的量子导引实验检验并实现单向量子导引，对单向的保密量子通讯具有重要意义；实验上利用量子互文性产生量子非局域性。4）在弱测量实验的研究中利用白光源实现高精密量子测量，可以把微弱信号放大一万倍；进而实现能量再循环型弱测量，测量精度超越经典测量方案精度极限。5）在量子信道研究中，实验实现经典噪声环境中量子关联的恢复；并通过干涉激活技术利用量子信道容量为零的保偏光纤实现了量子信息的双向传输。