我实验室在长时间空间多模量子态存储方向取得新进展：史保森、丁冬生课题组利用磁场操控技术结合钟态制备的方法实现了基于冷原子系综的光子高维轨道角动量态的长时间存储，相关成果10月31日以“Long-Lived Memory for Orbital Angular Momentum Quantum States”为题发表在学术期刊《Physical Review Letters》上。

      长距离量子通信的实现离不开量子中继，其中量子存储器是构建量子中继的核心。由于冷原子系综具有集体增强效应以及光谱一致性，可以有效地存储光子的量子态，因此作为极具潜力的量子存储器介质而备受青睐。学术界的众多工作表明，将多模存储器布局到量子网络中，能大幅度提高信道容量，因此多模量子存储器的实现对于构建高容量量子网络具有重要价值。尽管多模量子存储领域已取得重要进展，但基于冷原子系综的长时间空间多模存储还存在许多科学问题亟待解决，其中之一是难以保证所存多模量子态在长时间存储之后仍具有较高的保真度：这是由于复杂的空间模式更容易受到周围环境（例如磁场）的干扰造成的。

图1 工作原理图。(a)实验装置简图；(b)对称式钟态制备的能级结构及原理示意图；(c)基于电磁诱导透明的存储的能级结构。

      史保森、丁冬生领导的科研团队利用铷冷原子体系，基于光子轨道角动量自由度，开展了高维多模光子态的长时间存储研究，取得重要进展。在本工作中，团队通过操控极化磁场压制空间模式的横向消相干、并通过制备磁不敏感态进一步延长存储时间（如图1所示）。团队将带有时序控制的反向泵浦光的热原子池作为窄带滤波器，实现了对单光子量级信号光的滤波和探测。

      该工作以两个三维轨道角动量叠加态（如图2所示）为例开展长时间存储研究，实验发现经过400μs的存储时间后绝对保真度远高于通过脉冲平均光子数和存储效率计算出的量子-经典界限，表明该存储器仍可以工作在量子领域。同时，当存储时间从10μs延长到400μs时，存储器的读出效率由10.7%衰减到4.7%，降低了不到60%。研究成果对高容量量子网络的构建具有重要参考意义。

图2 实验结果。(a)保真度、效率随存储时间的变化以及量子-经典界限，同时还通过ICCD记录存储的强相干光信号展示了存储模式随时间的变化；(b)重构的读出信号之密度矩阵。

      该成果得到了审稿人的充分肯定：“…毫无疑问，此工作包含了有价值的结果，将对量子存储器的设计和实现产生深远的影响…”（“…No doubt, the manuscript contains highly relevant results, with high impact on the development of quantum memory design and realization…”）。

      中科院量子信息重点实验室的博士后叶英豪、博士生曾雷为本文的共同第一作者；丁冬生教授、史保森教授为本文的共同通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技专项以及中国科学技术大学的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.193601

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、物理学院、科研部）