科研体系

研究方向
1.量子网络基本单元的物理实现研究
2.基于涡旋光场的信息处理实验研究

研究内容
1. 量子编码
2. 非经典光的产生
3. 量子态的存储和操控
4. 量子接口
5. 量子态的传输和识别

主要研究成果
1. 高维量子存储
量子通信系统中作为载体的单光子所携带的信息量的大小与所处编码的空间维数有关。目前光子主要编码在一个二维空间，因而一个光子携带的信息量是一个比特。如果能将光子编码在一个高维空间（如轨道角动量空间），则单个光子所能携带的信息量将大幅度增加，（可由一个比特提高到个比特，其中d是空间维数。）极大地提高量子通信的效率。此外，利用光子的高维编码态还可以提高量子密钥传输的安全性，并且在量子力学的一些基本问题的研究方面也有非常重要的应用。远距离量子通信的实现和量子网络的构成必须借助于量子中继器，而量子存储单元是构成量子中继器的核心，实现光子携带信息在存储单元中的存储与释放是实现中继功能的关键。因而能否实现编码于高维空间光子的量子存储是提高量子通信效率、构建基于高维中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键,而且是量子信息领域中一个急待解决的问题。
我们小组围绕高容量量子通信的科学目标开展了关键问题--高维量子存储的实验研究，首次实现了基于光子轨道角动量编码的单光子态、高维单光子态、二维以及高维纠缠态的量子存储，开创了量子存储领域的新方向。在Nat.Comm.、PRL、PRA等顶尖学术刊物发表系列论文，主要成果被Nat.Photon.作为亮点推荐，被MIT的TechnologyReview等多家网站积极评价，并被Science、Nature子刊、PRL等广泛引用。
MIT的TechnologyReview评价原文：http://www.technologyreview.com/view/514921/first-quantum-memory-that-records-the-shape-of-a-single-photon-unveiled-in-china/
主要论文：
1. Dong-Sheng Ding, Zhi-Yuan Zhou, Bao-Sen Shi & Guang-Can Guo. Single-photon-levelquantum imagememory basedon cold atomic ensembles. Nat. Commun. 4. 2527(2013).
2. Dong-Sheng Ding, Wei Zhang, Zhi-Yuan Zhou, Shuai Shi, Xi-Shi Wang,Yun-Kun Jiang, Bao-Sen Shi. and Guang-Can Guo. Quantum Storage of Orbital Angular Momentum Entanglement in an AtomicEnsemble. Physical Review Letters. 114, 050502 (2015).

联系人：史保森
联系方式：Email: drshi@ustc.edu.cn. 电话：13856939492.

2. 量子接口---图像变频
目前用于探测红外波段的红外敏感探测器价格昂贵，探测效率低。而红外探测又在生物探测，夜视，化学成像等领域都具有很大的应用。我们小组围绕解决红外图像探测器精度差、效率低的缺点以及高容量量子网络的关键技术--高维量子接口的实现开展了图像的变频研究，首次利用原子的四波混频效应实现了图像的频率变换，把红外波段的图像成功地转换到了可见波段，并用可见光探测器探测。MIT的TechnologyReview网站以“直接把红外光转成可见光的铷探测器”为题进行了积极评价。在PRA、OL等发表系列论文。

主要论文：
1.Dong-Sheng Ding, Zhi-Yuan Zhou, Wen Huang, Bao-Sen Shi, Xu-Bo Zou, and Guang-Can Guo. Experimental up-conversion of images. PHYSICAL REVIEW A 86, 033803 (2012).
2.Dong-Sheng Ding, Zhi-Yuan Zhou, Bao-Sen Shi, Xu-Bo Zou, and Guang-Can Guo. Image transfer through two sequential four-wave-mixing processes in hot atomic vapor. PHYSICAL REVIEW A 85, 053815 (2012).

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3. 宽带存储
量子纠缠是构建量子网络的核心，而量子纠缠的存储是实现量子网络的关键。宽带、高速度的信息传输和处理是通信系统的实际需求。大带宽光子纠缠态的存储是构建具备高速信息处理能力的量子网络的基本要求，对量子信息技术的实用化具有重要意义。在众多的量子存储方案中，拉曼协议相比于其它方案如EIT协议等具有很多优点，如可存储大带宽信号，对存储系统的非均匀展宽不敏感，以及所存储的单光子频率具有可调性等，因而该协议具备实现大宽带、高速信息处理的潜力。如果能够实现光子偏振纠缠的拉曼存储，无疑对未来构建基于光纤的高速量子网络具有非常大的意义。
我们小组围绕高速量子信息处理的科学目标开展了关键问题--宽带量子存储的实验研究，首次实现了宽带单光子、光子偏振纠缠及混合纠缠的量子存储，是该领域的第一个标志性成果, 为该领域建立了一个基准点,对未来构建高速量子网络以及线性光量子计算奠定基础。实验结果发表在Nature Photonics 9. 332–338(2015)。

相关论文：
1.Dong-Sheng Ding, Yun Kun Jiang, Wei Zhang, Zhi-Yuan Zhou, Bao-Sen Shi, Guang-Can Guo. Optical precursor with four-wave mixing and storage based on a cold atomic ensemble. Physical Review Letters. 114, 093601 (2015).
2.Dong-Sheng Ding, Wei Zhang, Zhi-Yuan Zhou, Shuai Shi, Bao-Sen Shi, Guang-Can Guo. Raman Quantum Memory of Photonic Polarized Entanglement. Nature Photonics 9. 332–338(2015)

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4. 高维量子接口--轨道角动量变频
轨道角动量因其特殊的空间位相结构和无限维的希尔伯特空间使它在高容量光通信、微小粒子的捕获和操控、成像、精密测量和高维量子信息中具有重要的应用。利用轨道角动量变频可以实现不同波长轨道角动量光束的任意变换。此外单光子轨道角动量频率变换可以实现不同波长轨道角动量量子体系的波长链接，实现轨道角动量信息在不同波长量子体系交换的重要组成部分。其研究对于基于轨道角动量维度的高维量子信息具有重要意义。
我们小组围绕高容量量子网络的关键技术--高维量子接口的实现开展了轨道角动量的变频研究，首次利用周期性非线性晶体的二阶非线性效应实现了图像的频率上转换，并成功实现单光子的频率变换，为高维量子接口的实现奠定基础。在PRA、OL、OE等刊物发表系列论文。

主要论文：
[1] Z.-Y. Zhou, Y. Li, D.-S. Ding, Y.-K. Jiang, W. Zhang, S. Shi, B.-S. Shi, and G.-C. Guo, Generation of light with controllable spatial patterns via the sum frequency in quasi-phase matching crystals, Scientific. Reports 4, 5650 (2014).
[2] Z.-Y. Zhou, D.-S. Ding, Y.-K. Jiang, Y. Li, S. Shi, X.-S. Wang, and B.-S. Shi, Orbital angular momentum light frequency conversion and interference with quasi-phase matching crystals, Optics Express 22, 20298 (2014).
[3] Z.-Y. Zhou, Y. Li, D.-S. Ding, Y.-K. Jiang, W. Zhang, S. Shi, B.-S. Shi, and G.-C. Guo, Highly efficient second harmonic generation of a light carrying orbital angular momentum in an external cavity, Optics Express 22, 23673 (2014).
[4] Y. Li, Z.-Y. Zhou, D.-S. Ding, and B.-S. Shi, Sum frequency generation with two orbital angular carrying laser beams, J. Opt. Soc. Am. B 32, 407(2015).
[5] Y. Li, Z.-Y. Zhou, D.-S. Ding, W. Zhang, S. Shi, B.-S. Shi, and G.-C. Guo, Orbital angular photonic quantum interface, arXiv:1410.7543 [quant-ph].

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5. 非经典量子光场的制备
非经典量子光场如偏振纠缠、轨道角动量纠缠等是研究量子力学基本原理、量子通信和量子通信的重要资源。高质量的量子光源是完成量子光学实验的重要前提。我们小组围绕量子信息的关键技术--非经典光源的制备开展系列研究工作，分别制备了简并与非简并偏振纠缠光源、双色轨道角动量纠缠光源、与原子现款相匹配的窄线宽非经典光子源，在PRA、OL、OE等刊物发表系列论文。

主要论文：
[1] Z.-Y. Zhou, Y.-K. Jiang, D.-S. Ding, B.-S. Shi, and G.-C. Guo, Actively switchable nondegenerate polarization-entangled photon-pair distribution in dense wave-division multiplexing, Phys. Rev. A 87, 045806 (2013).
[2] Z.-Y. Zhou, Y. Li, D.-S. Ding, W. Zhang, S. Shi, B. -S. Shi, and G.-C. Guo, Classical to quantum optical network link for orbital angular momentum carrying light, Opt. Express 23, 18435-18444(2015).
[3] Z.-Y. Zhou, D.-S. Ding, Y. Li, F.-Y. Wang, and B.-S. Shi, Cavity-enhanced bright photon pairs at telecom wavelengths with a triple-resonance configuration, J. Opt. Soc. Am. B 31, 128 (2014).
[4] Z.-Y. Zhou, Y.-K. Jiang, D.-S. Ding, and B.-S. Shi, An ultra-broadband continuously-tunable polarization entangled photon-pair source covering the C+L telecom bands based on a single type-II PPKTP crystal, J. mod. Opt., 60, 720(2013).

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6. 精密测量
精密测量的目标是探索新的方法和测量机制，测量传统方法无法达到的测量精度，或者更简单有效的测量所关心的物理参量，如温度、电场、磁场等。我们围绕基本物理量高精度的科学目标，利用轨道角动量光的性质探索温度、角度、磁场等物理量精密测量的新方法，取得了系列成果，在APL、OL等发表系列论文。

主要论文：
[1] Z.-Y. Zhou, D.-S. Ding, B.-S. Shi, X.-B. Zou, and Guang-Can Guo, Characterizing dispersion and absorption parameters of metamaterial using entangled photons, Phys. Rev. A 85, 023841(2012).
[2] Z.-Y. Zhou, Y. Li, D.-S. Ding, W. Zhang, S. Shi, and B.-S. Shi, Optical vortex beam based optical fan for high-precision optical measurements and optical switching, Optics Letters 39, 5098(2014).
[3] S. Shi, D.-S. Ding, Z.-Y. Zhou, Y. Li, W. Zhang, and B.-S. Shi, Magnetic-field-induced rotation of light with orbital angular momentum, App. Phys. Lett. 106, 261110 (2015).

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