基于冷原子系综的窄线宽单光子存储实验研究

Quantum memory is one of the key techniques for quantum repeater and quantum networks. With cold atomic ensemble, so far the highest single photon storage efficiency is 49%, which failed to meet the requirement of the quantum repeater(storage efficiency >50%). With cold atomic ensemble, we experimentally generated narrowband single photons. Now, we are going to study the storage of the narrowband single photons with cold atomic ensemble. The details of this project are: (1)enlarge the optical depth of a dark 2D-MOT through compressed MOT and sub-Doppler cooling; Obtain cold atomic ensemble with an optical depth bigger than 200. (2)study the influence of the stray magnetic field to the storage efficiency; realize high efficiency(70%) single photon storage. (3)study the storage of single photons with different polarizations; following the long time and high fidelity storage techniques, realize long time,high fidelity and high efficiency storage of photonic polarization qubit. (4)study the storage of narrowband polarization entangled photon pairs with cold atomic ensemble and demonstrate one bit quantum networks. Our project will advance the studying of quantum repeater and quantum networks.

量子存储是量子中继和量子网络研究的关键技术之一。目前基于冷原子系综的单光子存储的最高效率为49%，还无法满足量子中继对于存储效率的要求（高于50%）。在利用冷原子系综成功产生窄线宽单光子的基础上，本项目计划进一步研究窄线宽单光子在冷原子系综中的高效率存储。具体研究内容包括：（1）研究压缩磁光阱和亚多普勒冷却技术对冷原子系综光学厚度增大的作用；实验实现光学厚度超过200的冷原子系综；（2）研究偏置磁场对单光子存储效率的影响；通过补偿剩余磁场，在超大光学厚度冷原子系综中实现存储效率达到70%的单光子存储；（3）在此基础上，研究不同偏振态单光子的高效率存储；并进一步结合偏振编码单光子量子态长时间、高保真度存储技术，实现偏振编码单光子量子态长时间、高保真度和高效率存储；（4）进一步研究窄线宽偏振纠缠光子对的高效率存储，实现单节点量子网络。本项目的实施将为量子中继和量子网络的研究提供支撑。

量子存储是量子中继和量子网络研究的关键技术之一。目前单光子存储的最高效率还未超过50%，无法满足量子中继等应用对于存储效率的要求（高于50%）。在利用冷原子系综成功产生窄线宽单光子的基础上，本项目进一步研究了窄线宽单光子在冷原子系综中的高效率存储。主要研究内容包括：（1）高效率量子存储的实验实现，单光子的存储效率高于90%，偏振纠缠光子对的存储效率高于87%，保真度高于99%，此结果为目前国际上量子存储的最高记录。文章已被Nature Photonics杂志接收，审稿专家认为我们的工作是量子存储方面的里程碑。（2）快速高保真度的原子内态操控，在保持保真度不变的前提下，将受激拉曼绝热转移的速度加快了5倍，逼近量子极限。我们的文章在Nature Communications发表后，中国激光杂志社以量子态转移的“高速通道”为题对我们的结果进行了报道，我们的成果也成功入选了2016中国光学重要成果。本项目的研究为实现实用化量子存储积累关键技术，为量子中继和量子网络的研究提供了重要支撑。