西安交大：打造量子光学排头兵

量子光学是基于辐射场的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题以及应用的一门学科，现在得到广泛应用的激光技术即源自于此。10月23日，记者来到西安交通大学，采访了在量子光学领域深耕多年的物理学教授、博士生导师李福利。

在高维光子量子态操控等方面取得重要进展

李福利的科研领域主要包括介质光学性质的量子调控、原子与量子光场相互作用动力学、量子信息与量子计算等，其研究成果曾获陕西省科学技术奖一等奖、陕西省教学成果奖一等奖、教育部科学技术进步奖二等奖、国家级教学成果奖二等奖、陕西省科学技术进步奖三等奖等多项荣誉。

工作人员在陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室内做实验。

“依托西安交通大学物理学院建立的陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室，我们主要从事高维量子态操控与超密编码、高维量子密钥分发、原子系综中高维量子信息存储、单像素光学成像以及光电量子器件等方面的研究，在高维量子态和单光子的产生、调控、存储及测量方面有着深厚的实验和理论基础。”李福利告诉记者。

最近，他带领科研团队在高维光子量子态操控、高光学厚度冷原子技术与量子信息存储方面取得了重要进展。

“高维量子体系相较于二维量子体系可编码更多的信息位，在量子信息与量子计算中具有优越性，如信道容量更大、信号安全性更好、抗噪声干扰能力更强等，同时高维量子体系在量子力学基本问题方面也有着更广泛的研究内容。”李福利说。

据介绍，该研究小组利用光子高维轨道角动量（OAM）量子态以及偏振、路径等多个自由度，实现了在高维空间中光子量子态的操控逻辑门，在单光子水平上量子态的转换率达到93%，通过其组合进而可以实现对于高维量子态的任意幺正变换操作，为实现基于光子高维量子态的量子计算提供了基础。

“同时，实验室还开展了双光子高维量子态的控制操作研究，并取得了很好的进展。这些工作为量子通信过程中量子态的纠缠制备与变换、纠错以及测量奠定了基础。”李福利说。

在量子信息存储研究上，李福利表示，冷原子系综具有易操控和相干性好等特性，是进行光与物质相互作用研究的理想媒介。“高光学厚度冷原子技术是提高光与原子相互作用强度的重要技术手段。”李福利介绍，利用该项技术，实验室最近产生了一个长约3cm的“雪茄”型冷原子团，原子团轴向长度约3cm，横截面直径约1.5mm。经测量，87Rb原子D1线跃迁对应的最大光学厚度(OD)在400左右，原子密度达到5x1012cm^-3。在此光学厚度下，单光子轨道角动量量子态的存储效率可以到63%左右，存储保真度到99%，这些指标达到了国际先进水平。该系统为量子通信和量子计算中光子存储、延迟、同步和操控提供了理想实验平台。