本文由中國科學技術學院李傳鋒院長撰寫，介紹華東師范學院朱詩亮、顏輝課題組，臺灣科技學院杜勝望院長等人合作完成的文章。
量子儲存是量子信息領域的關鍵技術之一，在量子通訊和量子估算等方向均有重要應用[1]。例如，量子中繼是實現長程量子通訊的重要方案，而量子儲存器則是構成量子中繼的基本器件之一。
精典信息的基本單元是比特，只有0和1兩種狀態，而量子信息的基本單元是量子比特，可以處于量子疊加態。光子具有傳輸速率快、與環境耦合弱等優點，是量子信息的天然載體。量子儲存就是把光子所攜帶的量子態相干地轉換到儲存介質中量子通訊儲存，并盡量使光子不被耗損掉;儲存一段時間后，等須要用這個量子態時能夠把它相干地轉換回光子上。
評判量子儲存過程品質的指標有儲存保真度、存儲效率、存儲時間等[2]。要想實現量子中繼等功能，須要提高量子儲存的各項指標。常見的量子儲存介質有冷原子[3]、熱原子[4]、腔內單個原子[5]和稀土離子參雜晶體[6]等系統。每種量子儲存介質都有自己的特性，在提高各項指標的過程中也會碰到各自的問題。
冷原子系統具有與光的互相作用強等優點，弱相干光否認其可以被拿來實現高效率的量子儲存。但是要實現單光子的高效率量子儲存須要解決兩個困局：
抑制噪音。因為訊號是單光子，所以必須把噪音抑制到遠大于單個光子的水平。
單光子和冷原子系統的模式匹配。只有兩者模式匹配，能夠把單光子的量子態轉換成冷原子的量子態進行儲存。
華東師范學院朱詩亮與顏輝課題組和新加坡科技學院杜勝望院長等人[7]合作在上發表題為“for-”的研究論文。她們通過常年的理論探求和實驗設計，解決了冷原子系統中的以上兩個困局。
實驗運用二維磁光阱技術，將銣原子氣溫冷卻到200μK，并獲得長條型冷原子團；結合明線磁光阱和塞曼子基態制備技術，將冷原子的光學長度提升到了500。通過把控制光調整到和訊號光不重合，而是有個2.2°的傾角，有效解決了抑制噪音困局。單光子源由另一個磁光阱中的銣原子團通過觸發形成，借助空間光調制技術有效解決了單光子和冷原子系統模式匹配困局。最后借助電磁誘導透明技術實現了單光子儲存效率90.6%。通過對單光子偏振光編碼進行儲存實驗，得到了高達85%的量子儲存效率和99%的保真度(圖1)。
圖1量子儲存的保真度(a)與儲存效率(b)[7]
該實驗中的量子儲存效率創造了目前世界最高水平，是量子儲存領域的重要進展之一。本儲存過程尚需提升之處在于存貯時間只有毫秒量級，而要想在量子中繼等方向有實際應用，儲存時間須要達到微秒量級量子通訊儲存，可行的方式有進一步提升真空度和減小禁錮勢等。
參考文獻