光子回声综述.docx

连续变量光量子信息存储研究现状综述高微 10110832165光量子态的存储是量子信息中至关重要环节，由于光量子态具有量子（不确定性原理）的特性，导致我们不能直接通过测量的方式来获取量子态的全部信息，因此为了实现光量子态的存储，研究首先利用光与原子相互作用构造系统演化的幺正算符，通过幺正变换将待存光量子态标记到原子量子态上，然后利用原子系统的长相干时间这一特性达到存储量子信息的目的。在量子通讯中，量子通讯网络构建依赖于量子中继器，而量子中继器核心技术是光量子存储；在量子计算中具备对飞行比特存储能力是实施细听量子计算根本保证。非经典态制备是量子信息学中的根本任务。非经典态如纠缠态，压缩态，相干态等是实现量子计算和量子通讯的基础，也是致使量子信息处理超越经典信息处理的关键所在。目前，针对这些量子信息处理任务选择适当物理体系进行实验室量子信息研究领域的热点。量子存储技术在量子信息理论的各个领域都有着十分重要的意义。近年来，原子系综由于有很长的退相干时间作为量子信息处理器件，用来存储量子态。非经典态如压缩真空态，单光子态，纠缠态，以及想干叠加态等已经在量子计算，量子通讯，量子计量和量子光刻等领域发挥重要作用。非经典态在量子存储中应用有很多的优点，如单光子态它的主要特点是: 一、存储比特与被存储比特不直接相互作用, 而是通过类似量子态隐形传态（Quantum state teleportation ）的过程将要存储比特的态信息传输到存储比特上去。二、可以存储单个光子的偏振态, 便于与采用单光子的量子通讯方案结合, 操作简便。三、存储的保真性好, 读取方便。四、存储时间长, 实验要求低。但现阶段非经典态的产生存在着许多问题，如真空压缩程度不够高，单光子产生比较困难，纠缠态产生效率不高以及相干叠加态退相干时间太短等，为了克服这些困难需要尝试不同方法高效产生和制备量子信息所处理所需要的各种非经典态，最终为量子信息应用奠定基础。近几年，根据光与原子相互作用的原理不同，已经有多种存储方案被提出，如M.Fleischhauer等人提出的利用光与原子系综相互作用的电磁诱导透明（EIT）来实现减慢光的速度达到对光量子态存储的目的1,2；E.S.Polzik研究小组则提出了利用非共振法拉第偏转效应实施对光场极化分量进行量子存储3,4；A.E.Kozhekin等人利用光与原子系统的非共振拉曼散射相互作用对光量子态实施了存储5,6；S.A.Moiseev等人则将经典光子回声技术作了进一步的改进，提出了应用可控逆非均匀展宽（CRIB）光子回声技术实现了对光量子态进行高效率、高保真度的存储7,8,9.上述列出的方案最初的理论构建都是基于光和气相原子系统相互作用，原因是由于与单原子相比，原子系统具有更长的想干时间，而气态原子系统中原子间的相互作用可近似被忽略，可以极大的简化理论构建，目前，光量子信息的原子系统存储在实验上已经取得了很大的进展。但是由于气态原子系统中原子的自由热运动使得体系不够稳定，容易引起原子退相干而导致存储时间不长10,11,12，为了解决这一问题，利用固态介质存储的方案相继被提出，如A.V.Turukhin等13,14,15人2001年在掺镤硅酸钇晶体中观察到了EIT现象，使得存储达到了66微妙，接着J.J.Longdell等16,17将存储时间提高到了1秒，然而EIT也存在着不足，例如不能存储大时间带宽的光脉冲信号，所以相比之下CRIB光子回声技术可以克服EIT存在的缺点。2001年S.A.Moiseev等人提出的CRIB光子回声技术18，极大的提高了光信息存储的保真度，然而又与涉及到精确的光脉冲控制技术导致实验上实现比较困难，随后A.L.Alexander等19,20,21人提出了GEM（回声梯度）方案，利用梯度电场代替光脉冲控制。最初光脉冲调控方式可以实现高保真度、长存储时间等特点，但是在实验上很难实现，于是梯度电场（GEM）被提出，虽然其调控方式相对简单，实验容易操作，却又存在着存储时间过短等不足21,22,23.潘建伟领导的研究小组在国家自然科学基金、973计划、中科院知识创新项目等支持下，同德国、奥地利等国同事合作，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，利用由大约一百万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。最近澳大利亚国立大学领导的研究小组25研发出了世界上迄今效率最高的激光量子存储技术。该校物理与工程研究院激光物理中心的科学家首次通过阻断和控制激光来操控晶体中的电子。这一系统史无前例的高效率和高精准度可使激光精妙的量子特性被存 储、操控和记忆。新技术大大减少了激光穿越过程中光子的损失，使其从单光子水平的微弱相干态调整至500个光子水平的亮态，并能将存储效率提升至69%，而传统的量子存储效率一般为17%，最高不超过45%。我们相信随着实验和理论方法的改进，我们能设计出更多更好的光量子存储技术.参考文献1. M.Fleischhauer, and M.D. Lukin, Phys. Rev. A 65,022314 (2002)2. A.B. Mundt et al., Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002)3. S.R. Hastings-Simon, Phys. Rev. B 77, 125111 (2008)4. P. Kok et al, Rev. Mod. Phys. 79, 135 (2007).5. A.E.Kozhekin A. Delfan, C. La Mela andW. Tittel, Proc. SPIE, 6903,690308 (2008).6. A.E.Kozhekin E. Fraval, M.J. Sellars, and J.J. Longdell, Phys. Rev.Lett. 95, 030506 (2005)7. S.A. Moiseev and W. Tittel, (unpublished)8. S.A. Moiseev and M.I. Noskov, Laser Phys. Lett. 1, 303 (2004).9. S.A. Moiseev, and N.M. Arslanov, Phys. Rev. A 78,023803 (2008)10. Emmanuel Desurvire, Dominique Bayart, Bertrand Desthieux, and Sebastien Bigo, Erbium-Doped Fiber Ampliers, Device and System Developments (JohnWi-ley & Sons, New York, 2002).11. H. de Riedmatten et al., Phys. Rev. A 71, 050302 (2005).12. T. Yang et al., Phys. Rev. Lett. 96, 110501 (2006)13. A.V. Gorshkov et al., Phys. Rev. Lett. 98, 123601 (2007).14. T. Chaneliere et al., Phys. Rev. B 77, 245127 (2008).15. M. U. Staudt et al., in preparation16. G. He tet, M. Hosseini, B. Sparkes, D. Oblak, P.K. Lam, and B.C. Buchler, arXiv:0806.4258v317. L.M. Duan, M.D. Lukin, J. I. Cirac, and P. Zoller, Nature (London) 414, 413 (2001)18. S. A. Moiseev and S. Krll, Phys. Rev. Lett. 87, 173601（2001）19. A. L. Alexander et al., Phys.Rev.Lett. 96, 043602 (2006)20. A. Louchet et al., Phys. Rev. B 75, 35131 (2007)21. A. L. Alexander, J. J. Longdell, M. J. Sellars, and N. B. Manson, Phys. Rev. Lett. 96 (2006)04360222. M. Afzelius, C. Simon, H. De Riedmatten, and N. Gisin, Phys. Rev. A 79, 052329 (2009)23. M. Afze