【摘要】：量子儲存器是光子與物質系統之間的插口,準許存入和讀出加載了信息的光子,是建立實用化量子網路的核心元件。稀土參雜晶體可以實現固態的量子儲存器,較長的相干時間和較寬的儲存帶寬使其成為目前最有潛力的量子化學系統之一。基于量子儲存器建立的量子中繼器是克服光纖耗損的核心元件,是地基長程量子通訊不可或缺的組成部份。在實用化的量子通訊中,為了提升糾纏創建速度來提升量子通訊的速度,必須使用多模式的量子儲存器,而且多模式復用可以明顯增加儲存器的儲存壽命要求。本文重點研究多模式固態量子儲存。假如多模式復用可以儲存N個光子,這么節點糾纏制備的速度就降低了N倍,也就是通訊速度降低了N倍。這些多模式復用可以是時間,頻譜或則空間等自由度。據悉量子通訊儲存,多個自由度的多模式并行復用能以乘積的形式大量提升模式數。我們首先研究了在摻鐠硅酸釔晶體(Pr3+:)中基于原子頻度梳-載流子波儲存方案的單光子水平的軌道角動量儲存,并證明了儲存器的量子性。進一步的,我們實現了2個時間模式、2個頻度模式和3個空間模式共三個自由度的多模式并行復用,實現了2×2×3=12個模式的儲存。該結果闡明了稀土參雜晶體極高的模式復用潛力。在多個自由度的多模式并行復用的基礎上,我們實現了基于量子儲存器的量子模式變換和量子態實時任意操作。據悉,我們基于2.5MHz的腔提高非簡并窄帶熱阻光,研究了使用通信波段1540nm光子預報軌道角動量編碼的606nm單光子窄帶熱阻光儲存。其中606nm光子對準儲存器Pr3+:中Pr3+原子的吸收波長;1540nm光子的波長為通信波段適宜光纖傳輸,在量子通訊中適宜做傳輸光子。我們觀測到在8μs的原子頻度梳儲存方案中儲存效率為12.6%量子通訊儲存,以及儲存后的二階關聯為11.4,遠小于精典極限,證明了窄帶熱阻光源的量子性和儲存器的量子性。在對606nm光子加載了軌道角動量量子態后,我們觀測到正交態的儲存訊號可見度為94%。這一系列研究成果未來有望在基于量子儲存器的長程量子網路和量子估算等方面獲得廣泛的應用。
