圖1）多自由度復(fù)用量子存儲示意圖

圖2）多自由度復(fù)用量子存儲實驗裝置圖

由于不可克服的光纖信道損耗，目前地面安全量子通信距離被限制在百公里量級?；诹孔哟鎯ζ鞯牧孔又欣^方案可以有效克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離，所以量子存儲器是未來長程量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件。而對量子存儲器，由于具有量子相干性，其一個存儲單元可以一次性存儲大量的量子比特，這就是復(fù)用的概念。原則上對量子存儲器的各個自由度都可以進(jìn)行復(fù)用。

為了進(jìn)一步提升量子存儲器的復(fù)用能力，研究組創(chuàng)新性地采用多自由度并行復(fù)用的存儲方案。比如在第一個自由度有M個存儲模式，第二個自由度有N個模式，第三個自由度有P個模式，則量子存儲器的總復(fù)用模式數(shù)為各個自由度模式數(shù)的乘積，即M×N×P。研究組選擇光子的時間、空間和頻率自由度進(jìn)行并行復(fù)用，在國際上率先實現(xiàn)了這3個自由度的復(fù)用量子存儲。實驗中采用了2個時間模式、2個頻率模式、3個空間模式，總模式數(shù)達(dá)到2×2×3=12個，實驗結(jié)果展示了多自由度并行復(fù)用量子存儲的可行性。

研究組還進(jìn)一步證明他們的存儲器可以在時間和頻率自由度實現(xiàn)任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。實驗結(jié)果表明，在所有這些操作過程中，光子攜帶的三維空間量子態(tài)都保持了約89%的保真度。該成果還有望在線性光學(xué)量子計算等領(lǐng)域取得更多的應(yīng)用。