中国科大郭光灿院士团队在基于冷原子的量子存储实验研究中取得了重要进展：该团队史保森教授﹅丁冬生教授等与合作者利用冷原子系综实现了25维量子态的高效率存储。该研究成果于2023年12月15日在线发表在国际知名学术期刊<<物理评论快报>>上[Phys. Rev. Lett. 131, 240801（2023）]。
量子存储器是构建量子网络不可或缺的功能单元，而实现高维量子态的高效率存储对提高量子网络的信道容量具有重要意义。近年来，尽管研究人员基于不同物理体系实现了高效率的量子存储，然而这些存储器要么所存储的量子态是一个两维态，要么虽然实现了高维态存储，但存储效率较低。实现满足高维、高效率的量子存储器仍然面临很大的挑战。
图1. 高维维量子存储器实验示意图
为了解决这一难题，近年来史保森教授带领的科研团队开展了高维量子存储器的深入研究，在以前研究进展的基础上，最近他们利用通过激光冷却与囚禁技术获得的大光学厚度的冷铷原子团作为存储介质，以完美涡旋光作为信息载体，并采用轨道角动量作为信息编码自由度，利用完美涡旋光的横截面大小与轨道角动量拓扑荷数无关的特点，实现了25维的光量子态存储，效率达到60%。由于该存储器对25个轨道角动量模式态具有相同的存储效率，因此不仅可以存储一个25维量子态，也可以对一个由25个轨道角动量模式任意组合的高维量子态进行高效率存储，显示出对任意可编程量子态的兼容能力，因此该结果在实际量子通讯中具有重要应用价值。
（a）
(b)
图2 (a)任意轨道角动量模式的量子态存储；(b)任意轨道角动量模式组合的量子态存储效率。
本工作第一作者为中国科学院量子信息重点实验室博士后董明新和博士生张伟航，史保森教授、丁冬生教授和合肥师范学院的李大创教授为通信作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部的支持。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.240801