中科大史保森教授团队已取得量子存储研究领域方面的多项世界第一

首次在非线性过程中观测到光学前驱波的产生

2015年3月，中国科学技术大学史保森教授研究小组首次在非线性过程中观测到光学前驱波的产生，该工作对深入研究光脉冲在非线性介质中的传播行为具有重要意义。成果3月3日发表在国际物理学权威期刊《物理评论快报》上。

1914年，著名物理学家索末菲和布里渊从理论上开始研究光脉冲的边缘部分在介质中的传播行为，指出边缘部分所引导的这一段瞬态光场称为光前驱，介质对其无法响应。当光脉冲的频谱宽度大于介质的线性吸收带宽时，会出现一个光学现象——光脉冲的低频部分被吸收或延迟，高频部分会直接透射过去，形成光前驱波。

线性指量与量之间按比例、成直线的关系，在空间和时间上代表规则和光滑的运动；非线性则指不按比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。最近的实验表明，光前驱波可以在线性过程观测到，但在非线性过程中能否观测到前驱波尚无任何报道。

史保森小组将磁光阱中制备出的二维冷原子团作为非线性介质，通过非线性过程产生出新的光脉冲。该脉冲的低频成分被原子吸收，而高频部分直接透射出去形成光前驱波，从而在非线性过程中首次观测到光前驱波，并实现了对所产生光前驱波的光学存储。

首次实现光子轨道角动量纠缠的量子存储

2015年2月，史保森教授小组在高维量子中继研究方向取得重要进展，在国际上首次实现光子轨道角动量纠缠的量子存储，进一步证明了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的可行性。成果2月4日发表在国际物理学权威期刊《物理评论快报》上。

光子的轨道角动量，产生于电磁波螺旋前进的波前，可以构成一个无限维编码的空间。将光子编码在轨道角动量空间，可以大幅度增加光子的信息携带量。利用光子的高维编码态还可以提高量子密钥传输的安全性，实现二维编码态无法完成的量子信息协议。

实现大信息量、长距离的量子信息传输，必须借助于量子中继器，而量子存储单元是构成量子中继器的核心，因此必须首先实现高维量子纠缠的存储。尽管人们已成功实现了携带轨道角动量信息的单光子存储，但到目前为止有关轨道角动量纠缠存储方面的研究仍是一片空白。

继2013年在国际上首次实现携带轨道角动量的单光子存储后，史保森教授和博士生丁冬生等最近又首次实现了光子轨道角动量纠缠在两个存储单元之间的存储。他们利用两个磁光阱“囚禁”了两个冷原子团，在其中一个冷原子团制备了单光子与原子系综之间的纠缠，然后将该光子存储在另一个冷原子团中，从而实现了光子轨道角动量纠缠在两个原子系综之间的存储。

研制出首个可以存储单光子形状的量子存储器

2013年10月，世界上首个可以存储单光子形状的量子存储器在中国诞生，最新成果在线发表于《自然-通讯》上。

量子通信系统中作为载体的单光子所携带的信息量的大小与所处编码的空间维数有关。目前光子主要编码在一个二维空间，如果能将光子编码在一个高维空间，则单个光子所能携带的信息量将大幅度增加，极大地提高量子通信的效率。此外，利用光子的高维编码态还可以提高量子密钥传输的安全性。

因而，能否实现编码于高维空间光子的量子存储是提高量子通信效率、构建基于高维中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键。

史保森教授等研究人员一直致力于解决这一难题，最近首次成功地实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储与释放，证明了高维量子态的存储是完全可行，迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步。

研究人员通过实验证明单光子携带的轨道角动量可以高保真地被存储，在国际上首次实现了光子轨道角动量的量子存储。

《自然-通讯》审稿人认为，该项工作将在量子信息和量子原子光学领域产生重大影响。据悉，该项工作得到中国国家基金委、中科院和科技部的支持。