圖1）多自由度復用量子存儲示意圖

圖2）多自由度復用量子存儲實驗裝置圖

由于不可克服的光纖信道損耗，目前地面安全量子通信距離被限制在百公里量級。基于量子存儲器的量子中繼方案可以有效克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離，所以量子存儲器是未來長程量子通信和量子網絡的核心器件。而對量子存儲器，由于具有量子相干性，其一個存儲單元可以一次性存儲大量的量子比特，這就是復用的概念。原則上對量子存儲器的各個自由度都可以進行復用。

為了進一步提升量子存儲器的復用能力，研究組創新性地采用多自由度并行復用的存儲方案。比如在第一個自由度有M個存儲模式，第二個自由度有N個模式，第三個自由度有P個模式，則量子存儲器的總復用模式數為各個自由度模式數的乘積，即M×N×P。研究組選擇光子的時間、空間和頻率自由度進行并行復用，在國際上率先實現了這3個自由度的復用量子存儲。實驗中采用了2個時間模式、2個頻率模式、3個空間模式，總模式數達到2×2×3=12個，實驗結果展示了多自由度并行復用量子存儲的可行性。

研究組還進一步證明他們的存儲器可以在時間和頻率自由度實現任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。實驗結果表明，在所有這些操作過程中，光子攜帶的三維空間量子態都保持了約89%的保真度。該成果還有望在線性光學量子計算等領域取得更多的應用。