实现高效高维量子存储器的新方法

许多物理学家和工程师一直在尝试开发高效的量子技术，这些技术可以利用量子力学效应执行与传统电子器件类似的功能。这包括高维量子存储器、比二维量子存储器具有更大信息容量和噪声恢复能力的存储设备。

到目前为止，开发这些高维存储器已被证明具有挑战性，并且大多数尝试都没有产生令人满意的效率。中国科学技术大学和合肥师范大学的研究团队近日在《物理评论快报》发表论文，介绍了一种基于冷原子实现高效25维存储器的方法。

论文合著者丁东升告诉Phys.org：“我们课题组一直在利用空间通道中的轨道角动量模式来研究高维量子存储，积累了丰富的研究经验和技术。” “实现高维、高效的量子存储一直是我们的目标。”

在之前的研究中，丁和他的同事发现，被称为完美涡旋光场的空间模式的奇异特性可能对于高维量子存储器的开发特别有利。这启发他们利用与这种模式相关的光和物质之间的模式无关的相互作用来实现高维和高效的量子存储。

“我们存储设备的基本原理是基于电磁感应透明现象，即光与物质之间的相互作用，”丁解释道。“简单来说，信号光子在介质中减速到零速度并存储一段时间。然后，控制光可以检索存储的信号光子信息。”

研究人员创建的量子系统由信号光子、控制光束、作为存储介质的铷冷原子系综以及对高维量子信息进行编码和解码的空间光调制器组成。该团队的存储器将高维信息编码在信号光子上，最终实现了信息在介质中的高维存储。

“在我们的工作之前，高效的量子存储器仅限于二维存储量子系统，”丁说。“我们工作的优势在于将存储维度从2维扩展到25维，可以制备在高维希尔伯特空间中运行的高维存储器。这不仅大大扩展了存储器的容量，还增加了可传输的容量不仅对量子通信具有重要意义，而且对容错量子计算也具有潜在影响。”

在最初的测试中，研究人员证明他们的量子存储器可以存储 25 维的高维状态。然而值得注意的是，他们的系统还可以存储从 1 到 25 维的任意高维状态(即，包括 3 维、5 维、10 维状态等)。

“我们的结果证明了我们的存储器与 1 至 25 维范围内的可编程高维量子态的兼容性，”丁说。“此外，我们从理论上分析了我们的存储器维度的可扩展性。通过进一步优化光路设计，我们可以实现高达100甚至更高维状态的高效存储，展示了我们高维存储方案的独特优势”。

丁和他的同事最近的工作介绍了一种新的非常有前途的方法来实现高效的高维量子存储。未来，这种方法可用于创建各种高维量子存储器，从而有助于实现其他量子技术，例如高维量子中继器。

“值得注意的是，通过我们的方法，可以实现实用的高维量子存储器，”丁补充道。“未来，我们将利用高维量子存储器建立高维量子中继器，实现两个或多个远程量子节点之间的高维量子通信。”

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