中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授和他的同事陈宇翱、苑震声等,在国际上首次实验实现了光子比特与原子比特之间的量子态隐形传输.
该项研究成果以封面标题的形式发表在2月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然•物理》上.

      众所周知,量子态非常容易被环境噪声所破坏,在对量子态的传输、操纵和存储等操作中,不同的物理系统有不同的优势.光子飞行速度快并与环境耦合作用小,是量子通信中最好的信息载体,但是光子很难被存储;相比而言,原子态有很长的退相干时间,可用来存储量子态.两个系统如果能够相互转换,将对远距离量子通信和大尺度的量子计算带来极大的推动.因此,实现连接这两个系统的量子界面已经成为量子信息处理中重大的实验挑战.

      在不破坏其量子特性的情况下,将飞行(光)量子比特所载信息传送到静止(原子)量子比特上,并在需要时成功读取原子量子比特内存储的信息,这一技术将是未来量子信息处理中的重要组成部分.

      如何实现上述目标呢?

      在经典的世界中人们可以复制并传输信息,日常生活中我们每天都会用到,比如传真机.而在量子世界中,量子信息只能由载体传递,不能被复制,无法使用类似传真的普通传输方式.在传递信息的过程中,量子隐形传态无须复制所传信息,而是提供了一种传递量子信息的方法,这也是量子纠缠在实际应用中最引人注目的方案之一.量子隐形传态是很多量子通信和量子计算的基础步骤.

      尽管量子隐形传态和量子存储已经分别在以前的实验中被实现,然而如何进行内嵌存储功能的量子隐形传态,始终是量子信息处理的一大难题.

      潘建伟领导的中国科大研究小组在国家自然科学基金、科技部973计划、中国科学院知识创新项目等的支持下,同德国、奥地利等国的同事合作对这一难题进行了近四年的艰苦研究,最近他们成功地将一个未知光量子态隐形传输到原子比特上,并在存储8微秒后,再将原子态转换为光子态.

      在实验中,他们利用极化光子态作为量子信息的载体,利用由大约1百万铷原子构成的冷原子系综作为量子存储器,制备了光子与原子系综态之间的纠缠.通过这个光子－原子纠缠源,进行了光量子比特到远程原子比特的量子态隐形传输.传输到原子比特的量子信息在存储了8微秒后,被成功地转换为光量子态以作进一步的量子信息处理.

      内嵌存储功能的量子态隐形传输对基础量子物理的研究意义重大,同时具有可读功能的量子存储器也是实现高速可升级量子信息网络的必要器件.因此,潘建伟等的这一工作,引起了国际学术界的广泛关注.论文发表后,已有多家欧美知名学术新闻网站和广播电台对这个工作做了专题报道.

(微尺度物质科学国家实验室)