摘要
量子存储器作为量子中继重要的组成部分，在通过纠缠交换实现远距离量子通信方面具有重要的应用，同时也是基于线性光学实现量子计算的关键器件。衡量量子存储器的主要性能指标有存储寿命、存储保真度以及存储效率。其中存储寿命决定了使用量子中继实现的量子通信的最远距离。而存储保真度则决定了存储器是否能通过量子纠错算法工作在量子领域。为了使存储器的性能指标达到应用需求，人们需要选择合适的信息载体及存储介质。光子的偏振、动量、空间模式、频率等自由度都可用于编码，它是一种理想的高速且鲁棒的信息载体;由于集体增强效应，原子系综能极大地增加光与光子的相互作用强度以及对粒子数损失具有鲁棒性而成为了存储光信息的理想介质。 目前，许多研究小组在延长基于原子系综的存储器的寿命方面已经取得了阶段性突破，例如，通过将原子制备于磁不敏感态、利用中性原子的光偶极阱以及魔幻陷俘、使用微波或者光学领域的动力学解耦合等方式，已经成功实现了寿命达到几百毫秒量级的量子存储器。此外，通过实现多模存储，不仅可以提升量子通信中信道的容量和通信效率，还可以提高量子密钥分发的产生率。此外，采用横向多模存储还能降低量子中继对存储时间的要求以及增加窃听者的误码率。在横向空间多模的存储方面许多小组也取得了重要进展，比如发现利用明暗区域相差半波相位的图样可以抵御原子运动带来的消相干;利用无衍射的贝塞尔高斯光束作为基矢编码任意可以抵御原子运动消相干的二维图样，等等。如何实现多模存储器长时间的高保真存储目前仍是一个难题，国际上尚无在此方面的报道，因此，本论文系统地研究了长时间高维横向模式的存储。 本论文的主要研究内容如下: 1.采用“双路径”光路实现了在热原子中的轨道角动量与偏振自由度高维叠加态的柱矢量光场存储。该方案采用两个光束偏移器组成的自稳定干涉仪，并以置于高磁导率金属制成的磁屏蔽罩内的热原子系综作为存储介质，极大地减小了存储装置的复杂性，这对未来小型化、集成化的需求更加友好 2.本文首先介绍了磁场关断开关电源的设计，此开关电源可在300μs内将冷却或极化磁场关断，且能有效减小关断时产生的反电动势对仪器的影响。为了更快速地平衡原子团处的均匀静态的环境磁场，本文设计了利用计算机辅助平衡磁场的算法，并使原子基本处于零磁附近，为进一步延长存储寿命提供了实验基础。接着，提出了优化的对称式态制备光路，并在理论和实验上论证了该方案可以有效地将系综内的原子制备到磁不敏感态，估测得态制备效率在70％。我们提出了磁场梯度导致的非协同的拉莫尔进动造成的横向空间模式的消相干，并给出了理论仿真。然后利用强均匀极化磁场协同拉莫尔进动以提高存储恢复过程的图样保真度。接着，通过将自旋波制备到磁不敏感态以抵御自旋波之间的干涉相消，从而将任意图样的存储时间延长到了百微秒量级。最后，通过涡旋相衬实现了百微秒的边缘探测存储。 3.使用已经得到的技术实现了三维轨道角动量量子比特的存储。采用衰减的弱相干光验证了本文中的存储器至少在存储时间为400μs时还能工作在量子区域。 本论文的特色与主要创新点如下: 1.采用“双路径”光路在热原子体系中实现了基于轨道角动量和偏振双自由度的高维态存储。相比于冷原子体系，采用热原子避免了复杂的冷却光路，易于实现系统的小型化、集成化; 2.提出了由梯度磁场导致的横向模式消相干的模型，利用强极化磁场协同原子自旋波来保持横向模式相干性，将任意二维图像的存储时间延长到了800微秒; 3.在原子系综中结合涡旋相衬技术和电磁诱导透明存储协议演示了边缘增强的图像存储，实现了三维轨道角动量态400微秒的量子存储。
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