【摘要】：量子储存器是光子与物质系统之间的插口,准许存入和读出加载了信息的光子,是建立实用化量子网路的核心元件。稀土参杂晶体可以实现固态的量子储存器,较长的相干时间和较宽的储存带宽使其成为目前最有潜力的量子化学系统之一。基于量子储存器建立的量子中继器是克服光纤耗损的核心元件,是地基长程量子通讯不可或缺的组成部份。在实用化的量子通讯中,为了提升纠缠创建速度来提升量子通讯的速度,必须使用多模式的量子储存器,而且多模式复用可以明显增加储存器的储存寿命要求。本文重点研究多模式固态量子储存。假如多模式复用可以储存N个光子,这么节点纠缠制备的速度就降低了N倍,也就是通讯速度降低了N倍。这些多模式复用可以是时间,频谱或则空间等自由度。据悉量子通讯储存,多个自由度的多模式并行复用能以乘积的形式大量提升模式数。我们首先研究了在掺镨硅酸钇晶体(Pr3+:)中基于原子频度梳-载流子波储存方案的单光子水平的轨道角动量储存,并证明了储存器的量子性。进一步的,我们实现了2个时间模式、2个频度模式和3个空间模式共三个自由度的多模式并行复用,实现了2×2×3=12个模式的储存。该结果阐明了稀土参杂晶体极高的模式复用潜力。在多个自由度的多模式并行复用的基础上,我们实现了基于量子储存器的量子模式变换和量子态实时任意操作。据悉,我们基于2.5MHz的腔提高非简并窄带热阻光,研究了使用通信波段1540nm光子预报轨道角动量编码的606nm单光子窄带热阻光储存。其中606nm光子对准储存器Pr3+:中Pr3+原子的吸收波长;1540nm光子的波长为通信波段适宜光纤传输,在量子通讯中适宜做传输光子。我们观测到在8μs的原子频度梳储存方案中储存效率为12.6%量子通讯储存,以及储存后的二阶关联为11.4,远小于精典极限,证明了窄带热阻光源的量子性和储存器的量子性。在对606nm光子加载了轨道角动量量子态后,我们观测到正交态的储存讯号可见度为94%。这一系列研究成果未来有望在基于量子储存器的长程量子网路和量子估算等方面获得广泛的应用。
