长距离量子通信的实现离不开量子中继，其中量子存储器是构建量子中继的核心。由于冷原子系综具有集体增强效应以及光谱一致性，可以有效地存储光子的量子态，因此作为极具潜力的量子存储器介质而备受青睐。学术界的众多工作表明，将多模存储器布局到量子网络中，能大幅度提高信道容量，因此多模量子存储器的实现对于构建高容量量子网络具有重要价值。尽管多模量子存储领域已取得重要进展，但基于冷原子系综的长时间空间多模存储还存在许多科学问题亟待解决，其中之一是难以保证所存多模量子态在长时间存储之后仍具有较高的保真度：这是由于复杂的空间模式更容易受到周围环境（例如磁场）的干扰造成的。

图 1 工作原理图。(a) 实验装置简图；(b) 对称式钟态制备的能级结构及原理示意图；(c) 基于电磁诱导透明的存储的能级结构。

史保森、丁冬生领导的科研团队利用铷冷原子体系，基于光子轨道角动量自由度，开展了高维多模光子态的长时间存储研究，取得重要进展。在本工作中，团队通过操控极化磁场压制空间模式的横向消相干、并通过制备磁不敏感态进一步延长存储时间（如图 1 所示）。团队将带有时序控制的反向泵浦光的热原子池作为窄带滤波器，实现了对单光子量级信号光的滤波和探测。

该工作以两个三维轨道角动量叠加态（如图 2 所示）为例开展长时间存储研究，实验发现经过 400μs 的存储时间后绝对保真度远高于通过脉冲平均光子数和存储效率计算出的量子-经典界限，表明该存储器仍可以工作在量子领域。同时，当存储时间从 10μs 延长到 400μs 时，存储器的读出效率由 10.7% 衰减到 4.7%，降低了不到 60%。研究成果对高容量量子网络的构建具有重要参考意义。

图 2 实验结果。(a) 保真度、效率随存储时间的变化以及量子-经典界限，同时还通过 ICCD 记录存储的强相干光信号展示了存储模式随时间的变化；(b) 重构的读出信号之密度矩阵。

IT之家了解到，相关成果 10 月 31 日以“Long-Lived Memory for Orbital Angular Momentum Quantum States”为题发表在学术期刊《Physical Review Letters》上。