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交大量子信息研究重大发展:首次在空心光纤中实现单光子级宽带光存储

2014-05-05 09:09
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  量子信息存储集成化研究领域重大发展

  OFweek光通讯网2014年5月5日讯,最新一期的权威科学期刊《自然》杂志子刊《自然光子学》上刊登了上海交通大学物理与天文系特别研究员金贤敏及其英国牛津大学、德国马普所合作者的最新研究成果:首次在空心光纤中实现单光子级宽带光存储,并同刊配发了采访文章。这项工作标志着向实现可集成化的量子信息存储器件迈出了重要的一步。

  当前,信息技术的发展遇到了两大瓶颈,一是随着芯片集成度的不断提高,计算机的运算速度将达到极限,二是人类计算能力和数学的不断进步,使得现有的信息安全系统面临严重的威胁。从本世纪初开始,光子逐渐取代电子成为信息的主要载体,正掀起现代文明的第二次信息技术革命。特别是量子物理与信息技术相结合,开拓了与经典方式具有本质区别的全新的信息处理和通信方式,能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵,在提高运算速度和确保信息安全等方面突破传统信息技术面临的计算能力和信息安全两大瓶颈。

  量子信息技术有望实现无条件安全的保密通信,超高速的计算,超精密的成像和传感等革命性的技术飞跃,在未来的金融、军事和公共信息安全等方面有极大的发展前景。近年来量子信息技术得到了国际学术界,科技界以及国家战略层面的广泛关注,已成为新一代信息技术发展的重要战略性方向。世界主要发达国家纷纷投入巨资设立专项基金和建立研究中心。例如今年英国财政部就宣布要在5年内专门投入2.7亿英镑到量子技术的研究和发展上。

  然而光子和逻辑门本身的随机性使得大规模的量子体系无法同时工作,目前的量子信息研究都只是停留在原理性的小规模演示水平上,因此解决随机性是量子信息技术真正迈向实用化的关键。量子存储能让多个随机产生的飞行光子停在存储器里,在需要的时候把它们同时释放出来,从而实现把随机的过程变为同步的过程,是目前最有希望推动量子信息技术走向大规模实用化的办法。

  世界各国的物理学家正在各种物理体系和机制中寻找最佳的量子存储器实现形式。目前,可做到单光子级别的光存储器大多要在超低温等特殊环境下运行,系统复杂、庞大且昂贵,无法满足实用化要求。金贤敏同合作者在过去的几年中发展出了一种唯一可在室温下运行的宽带光存储技术。在前期工作基础上,他们将目标瞄准可集成化的光存储装置,用装载原子气体的空心光纤代替传统的原子蒸气池,并成功实现了单光子级别的宽带光存储。这种光存储装置具有非常迷人的优势,例如,可在室温下运行、高效率和可以进行大规模集成等。

  目前金贤敏课题组在985工程和国家自然科学基金支持下,正在上海交通大学搭建世界第二台室温宽带光存储装置,作为具有后发优势的2.0版,有望在各项指标上获得大幅提升。真正可实用化、可集成和可扩展的通用量子信息存储器将实质性地推动远距离量子通信,光量子计算和量子精密测量等领域的发展。

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