量子光學(xué)是基于輻射場的量子理論研究光輻射的產(chǎn)生、相干統(tǒng)計性質(zhì)、傳輸、檢測以及光與物質(zhì)相互作用中的基礎(chǔ)物理問題以及應(yīng)用的一門學(xué)科，現(xiàn)在得到廣泛應(yīng)用的激光技術(shù)即源自于此。10月23日，記者來到西安交通大學(xué)，采訪了在量子光學(xué)領(lǐng)域深耕多年的物理學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李福利。

在高維光子量子態(tài)操控等方面取得重要進展

李福利的科研領(lǐng)域主要包括介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的量子調(diào)控、原子與量子光場相互作用動力學(xué)、量子信息與量子計算等，其研究成果曾獲陜西省科學(xué)技術(shù)獎一等獎、陜西省教學(xué)成果獎一等獎、教育部科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎、國家級教學(xué)成果獎二等獎、陜西省科學(xué)技術(shù)進步獎三等獎等多項榮譽。

工作人員在陜西省量子信息與光電量子器件重點實驗室內(nèi)做實驗。

“依托西安交通大學(xué)物理學(xué)院建立的陜西省量子信息與光電量子器件重點實驗室，我們主要從事高維量子態(tài)操控與超密編碼、高維量子密鑰分發(fā)、原子系綜中高維量子信息存儲、單像素光學(xué)成像以及光電量子器件等方面的研究，在高維量子態(tài)和單光子的產(chǎn)生、調(diào)控、存儲及測量方面有著深厚的實驗和理論基礎(chǔ)�！崩罡＠�告訴記者。

最近，他帶領(lǐng)科研團隊在高維光子量子態(tài)操控、高光學(xué)厚度冷原子技術(shù)與量子信息存儲方面取得了重要進展。

“高維量子體系相較于二維量子體系可編碼更多的信息位，在量子信息與量子計算中具有優(yōu)越性，如信道容量更大、信號安全性更好、抗噪聲干擾能力更強等，同時高維量子體系在量子力學(xué)基本問題方面也有著更廣泛的研究內(nèi)容。”李福利說。

據(jù)介紹，該研究小組利用光子高維軌道角動量（OAM）量子態(tài)以及偏振、路徑等多個自由度，實現(xiàn)了在高維空間中光子量子態(tài)的操控邏輯門，在單光子水平上量子態(tài)的轉(zhuǎn)換率達到93%，通過其組合進而可以實現(xiàn)對于高維量子態(tài)的任意幺正變換操作，為實現(xiàn)基于光子高維量子態(tài)的量子計算提供了基礎(chǔ)。

“同時，實驗室還開展了雙光子高維量子態(tài)的控制操作研究，并取得了很好的進展。這些工作為量子通信過程中量子態(tài)的糾纏制備與變換、糾錯以及測量奠定了基礎(chǔ)�！崩罡＠�說。

在量子信息存儲研究上，李福利表示，冷原子系綜具有易操控和相干性好等特性，是進行光與物質(zhì)相互作用研究的理想媒介�！案吖鈱W(xué)厚度冷原子技術(shù)是提高光與原子相互作用強度的重要技術(shù)手段�！崩罡＠�介紹，利用該項技術(shù)，實驗室最近產(chǎn)生了一個長約3cm的“雪茄”型冷原子團，原子團軸向長度約3cm，橫截面直徑約1.5mm。經(jīng)測量，87Rb原子D1線躍遷對應(yīng)的最大光學(xué)厚度(OD)在400左右，原子密度達到5x1012cm^-3。在此光學(xué)厚度下，單光子軌道角動量量子態(tài)的存儲效率可以到63%左右，存儲保真度到99%，這些指標(biāo)達到了國際先進水平。該系統(tǒng)為量子通信和量子計算中光子存儲、延遲、同步和操控提供了理想實驗平臺。