光子回聲綜述.docx

連續(xù)變量光量子信息存儲(chǔ)研究現(xiàn)狀綜述高微 10110832165光量子態(tài)的存儲(chǔ)是量子信息中至關(guān)重要環(huán)節(jié)，由于光量子態(tài)具有量子（不確定性原理）的特性，導(dǎo)致我們不能直接通過(guò)測(cè)量的方式來(lái)獲取量子態(tài)的全部信息，因此為了實(shí)現(xiàn)光量子態(tài)的存儲(chǔ)，研究首先利用光與原子相互作用構(gòu)造系統(tǒng)演化的幺正算符，通過(guò)幺正變換將待存光量子態(tài)標(biāo)記到原子量子態(tài)上，然后利用原子系統(tǒng)的長(zhǎng)相干時(shí)間這一特性達(dá)到存儲(chǔ)量子信息的目的。在量子通訊中，量子通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建依賴(lài)于量子中繼器，而量子中繼器核心技術(shù)是光量子存儲(chǔ)；在量子計(jì)算中具備對(duì)飛行比特存儲(chǔ)能力是實(shí)施細(xì)聽(tīng)量子計(jì)算根本保證。非經(jīng)典態(tài)制備是量子信息學(xué)中的根本任務(wù)。非經(jīng)典態(tài)如糾纏態(tài)，壓縮態(tài)，相干態(tài)等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子通訊的基礎(chǔ)，也是致使量子信息處理超越經(jīng)典信息處理的關(guān)鍵所在。目前，針對(duì)這些量子信息處理任務(wù)選擇適當(dāng)物理體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室量子信息研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。量子存儲(chǔ)技術(shù)在量子信息理論的各個(gè)領(lǐng)域都有著十分重要的意義。近年來(lái)，原子系綜由于有很長(zhǎng)的退相干時(shí)間作為量子信息處理器件，用來(lái)存儲(chǔ)量子態(tài)。非經(jīng)典態(tài)如壓縮真空態(tài)，單光子態(tài)，糾纏態(tài)，以及想干疊加態(tài)等已經(jīng)在量子計(jì)算，量子通訊，量子計(jì)量和量子光刻等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。非經(jīng)典態(tài)在量子存儲(chǔ)中應(yīng)用有很多的優(yōu)點(diǎn)，如單光子態(tài)它的主要特點(diǎn)是: 一、存儲(chǔ)比特與被存儲(chǔ)比特不直接相互作用, 而是通過(guò)類(lèi)似量子態(tài)隱形傳態(tài)（Quantum state teleportation ）的過(guò)程將要存儲(chǔ)比特的態(tài)信息傳輸?shù)酱鎯?chǔ)比特上去。二、可以存儲(chǔ)單個(gè)光子的偏振態(tài), 便于與采用單光子的量子通訊方案結(jié)合, 操作簡(jiǎn)便。三、存儲(chǔ)的保真性好, 讀取方便。四、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng), 實(shí)驗(yàn)要求低。但現(xiàn)階段非經(jīng)典態(tài)的產(chǎn)生存在著許多問(wèn)題，如真空壓縮程度不夠高，單光子產(chǎn)生比較困難，糾纏態(tài)產(chǎn)生效率不高以及相干疊加態(tài)退相干時(shí)間太短等，為了克服這些困難需要嘗試不同方法高效產(chǎn)生和制備量子信息所處理所需要的各種非經(jīng)典態(tài)，最終為量子信息應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。近幾年，根據(jù)光與原子相互作用的原理不同，已經(jīng)有多種存儲(chǔ)方案被提出，如M.Fleischhauer等人提出的利用光與原子系綜相互作用的電磁誘導(dǎo)透明（EIT）來(lái)實(shí)現(xiàn)減慢光的速度達(dá)到對(duì)光量子態(tài)存儲(chǔ)的目的1,2；E.S.Polzik研究小組則提出了利用非共振法拉第偏轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)施對(duì)光場(chǎng)極化分量進(jìn)行量子存儲(chǔ)3,4；A.E.Kozhekin等人利用光與原子系統(tǒng)的非共振拉曼散射相互作用對(duì)光量子態(tài)實(shí)施了存儲(chǔ)5,6；S.A.Moiseev等人則將經(jīng)典光子回聲技術(shù)作了進(jìn)一步的改進(jìn)，提出了應(yīng)用可控逆非均勻展寬（CRIB）光子回聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光量子態(tài)進(jìn)行高效率、高保真度的存儲(chǔ)7,8,9.上述列出的方案最初的理論構(gòu)建都是基于光和氣相原子系統(tǒng)相互作用，原因是由于與單原子相比，原子系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的想干時(shí)間，而氣態(tài)原子系統(tǒng)中原子間的相互作用可近似被忽略，可以極大的簡(jiǎn)化理論構(gòu)建，目前，光量子信息的原子系統(tǒng)存儲(chǔ)在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但是由于氣態(tài)原子系統(tǒng)中原子的自由熱運(yùn)動(dòng)使得體系不夠穩(wěn)定，容易引起原子退相干而導(dǎo)致存儲(chǔ)時(shí)間不長(zhǎng)10,11,12，為了解決這一問(wèn)題，利用固態(tài)介質(zhì)存儲(chǔ)的方案相繼被提出，如A.V.Turukhin等13,14,15人2001年在摻鏷硅酸釔晶體中觀察到了EIT現(xiàn)象，使得存儲(chǔ)達(dá)到了66微妙，接著J.J.Longdell等16,17將存儲(chǔ)時(shí)間提高到了1秒，然而EIT也存在著不足，例如不能存儲(chǔ)大時(shí)間帶寬的光脈沖信號(hào)，所以相比之下CRIB光子回聲技術(shù)可以克服EIT存在的缺點(diǎn)。2001年S.A.Moiseev等人提出的CRIB光子回聲技術(shù)18，極大的提高了光信息存儲(chǔ)的保真度，然而又與涉及到精確的光脈沖控制技術(shù)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)比較困難，隨后A.L.Alexander等19,20,21人提出了GEM（回聲梯度）方案，利用梯度電場(chǎng)代替光脈沖控制。最初光脈沖調(diào)控方式可以實(shí)現(xiàn)高保真度、長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間等特點(diǎn)，但是在實(shí)驗(yàn)上很難實(shí)現(xiàn)，于是梯度電場(chǎng)（GEM）被提出，雖然其調(diào)控方式相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)容易操作，卻又存在著存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)短等不足21,22,23.潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在國(guó)家自然科學(xué)基金、973計(jì)劃、中科院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目等支持下，同德國(guó)、奧地利等國(guó)同事合作，他們成功地將一個(gè)未知光量子態(tài)隱形傳輸?shù)皆颖忍厣?，并在存?chǔ)8微秒后，再將原子態(tài)轉(zhuǎn)換為光子態(tài)。 在實(shí)驗(yàn)中，他們利用極化光子態(tài)作為量子信息的載體，利用由大約一百萬(wàn)銣原子構(gòu)成的冷原子系綜作為量子存儲(chǔ)器，制備了光子與原子系綜態(tài)之間的糾纏。通過(guò)這個(gè)光子原子糾纏源，進(jìn)行了光量子比特到遠(yuǎn)程原子比特的量子態(tài)隱形傳輸。傳輸?shù)皆颖忍氐牧孔有畔⒃诖鎯?chǔ)了8微秒后，被成功地轉(zhuǎn)換為光量子態(tài)以作進(jìn)一步的量子信息處理。最近澳大利亞國(guó)立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組25研發(fā)出了世界上迄今效率最高的激光量子存儲(chǔ)技術(shù)。該校物理與工程研究院激光物理中心的科學(xué)家首次通過(guò)阻斷和控制激光來(lái)操控晶體中的電子。這一系統(tǒng)史無(wú)前例的高效率和高精準(zhǔn)度可使激光精妙的量子特性被存 儲(chǔ)、操控和記憶。新技術(shù)大大減少了激光穿越過(guò)程中光子的損失，使其從單光子水平的微弱相干態(tài)調(diào)整至500個(gè)光子水平的亮態(tài)，并能將存儲(chǔ)效率提升至69%，而傳統(tǒng)的量子存儲(chǔ)效率一般為17%，最高不超過(guò)45%。我們相信隨著實(shí)驗(yàn)和理論方法的改進(jìn)，我們能設(shè)計(jì)出更多更好的光量子存儲(chǔ)技術(shù).參考文獻(xiàn)1. 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