光子是未来量子网络信息传递的天然载体,然而由于光子在光纤中传输损耗与传输距离呈指数关系增长,目前量子通信的距离被限制在三百公里左右。为克服这一困难,Briegel等人提出基于量子中继的远程量子通信方案。它依靠纠缠交换和量子存储技术有效地克服了光子指数衰减问题,使得五百公里以上的量子通信成为可能。基于量子存储的分布式量子计算网络还可实现不同位置的量子处理器并行运算。所以量子存储器是构建量子网络的核心部件,实用化量子网络的构建依赖于高性能量子存储器的物理实现。固体中的稀土离子具有十分丰富的光学谱线,它的4f电子被外层5s等电子屏蔽,故与周围环境耦合很弱。相应的4f电子能级迁移在低温下具有很长的相干寿命,特别适于实现单光子的量子存储。我们这里主要研究基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器。量子存储器作为一种多系统交互的重要媒介,实验研究的关键难题是实现不同系统与固态量子存储的对接。本人博士阶段的工作集中于量子光源与固态量子存储器的界面。本文主要取得以下成果：1.相位补偿法纯化半导体自组织量子点产生的确定性光子对纠缠。半导体量子点内的载流子在空间上三维受限,这使得它具有分立的能级结构。当单量子点被激发到双激子态时,它可以级联发射偏振纠缠的光子对,是一种确定性的纠缠光子源。然而量子点的激子态具有精细结构劈裂,这一劈裂导致两种偏振态的光子间有一个相位演化,从而导致光子对纠缠的保真度下降。我们首先利用傅立叶变换把这一个时间依赖的相位转化为频率域的相位分布,然后提出利用光栅把光子频率域分布转化为空间域分布,再利用空间光调制器将这一相位差补偿掉,从而有效地提升了光子对的纠缠保真度。2.单光子偏振比特的超高保真度固态量子存储。光子具有多种自由度可以携带信息,比如强度、相位、time-bin、偏振等。实际应用中,偏振是光子携带信息最方便最稳固的自由度。然而由于晶体的各向异性吸收特性的,故此前所有固态量子存储实验都是预先选定了单一偏振态的输入光子。我们首次设计出独特的“三明治”结构-即两个平行的掺杂晶体夹着一个45。半波片,实现了对单光子任意偏振的固态量子存储。由于这一结构具有天然的稳定性,我们实验测得偏振存储过程的保真度达99.9%,这是量子存储器存储保真度的最高记录。3.固态介质中光前驱波的理论研究及实验观测。光前驱波是由索末菲尔德和布里渊于1914年为解决色散介质中群速度超光速与狭义相对论的矛盾而提出的理论。该理论指出,任何介质对光场的非连续跃变波前都是无法响应的,故光前驱波在任何介质中的传输速度都是真空光速,不依赖于具体介质的色散特性的。我们注意到稀土掺杂晶体的吸收带可以由泵浦光场实现任意的编程控制,从而获得快光、慢光或者无色散传输的条件我们提出利用偏振干涉仪的方案可以直接比较不同色散条件下光前驱波的传输速度。随后,我们基于Nd:YVO4晶体实验实现了光前驱波的观测,且实验证明了不同色散条件下光前驱波的速度是精确一致的。4.在Nd:YLF晶体中首次实现固态量子存储。我们选取了多种厚度、浓度的Nd:YLF晶体并在不同温度和磁场下多次实验,最终在1.5K温度,6.6T磁场的条件下实验实现了效率达35%的原子频率梳量子存储。实验中我们直接分辨了不同Nd同位素的吸收线。随后我们进一步完成了对同位素提纯的143Nd:YVO4晶体的初步光谱研究。5.窄带参量光的固态量子存储以及LGI的实验检验。我们利用非线性晶体中的参量下转换过程制备了纠缠光子对。为了匹配固态量子存储的带宽,我们采用了光栅加光学标准具滤波的手段制备了带宽约700MHz的窄带参量光光子源。接着我们实现了对该光子的固态量子存储。基于我们自主提出的偏振依赖频率失谐的原子频率梳方案,我们实现了对存储器集体激发模式动力学演化的控制,并首次在光与物质界面的系统中实现了对LGI的实验检验,证明了宏观系统内的量子相干演化。6.量子点确定性单光子的固态量子存储。半导体量子点不仅是一种确定性的量子光源,其内部电子的自旋还可以作为量子比特实现一些量子逻辑操作,故量子点有望在未来量子网络中成为重要的节点。实现半导体量子点与固态量子存储的量子界面具有重要的意义。我们首先利用特别制备的InGaAs量子点发射880nm波长的单光子,其波长由局部加热和光学标准具严格对准存储器工作波长。该单光子加载了偏振信息存入存储器中并读出,存储保真度超过91%。我们进一步演示了存储器的多模式操作,实验中对真单光子的存储模式数达到100个,这是目前量子存储器单光子存储多模式容量的最高水平。7.高维轨道角动量纠缠的固态量子存储。轨道角动量描述光场的横向相位分布,它具有不受限的量子数,这一特性使得它可用于高维度信息编码并实现空间域的多模式复用。我们首次实验实现了单光子轨道角动量量子态的固态量子存储。基于非线性晶体可以制备高维度的轨道角动量纠缠态,然而该光源的线宽为THz量级,不适用于与存储器对接。我们首次采用平行平面腔滤波的方式获得了窄线宽、高维度轨道角动量纠缠的光子对。我们实验实现了对该高维纠缠的存储,且存储保真度高于99%。通过衡量高维度空间中二维量子叠加态存储后的可见度,我们实验证明固态量子存储器的存储维度／空间多模式数超过51。这些实验系统地研究了轨道角动量的固态量子存储,为未来基于固态系统构建高维度、多模式复用的量子中继打下基础。基于以上系列工作,我们完整地建立了窄带量子光源和固态量子存储两大实验平台,并实现了三个异质系统-即半导体量子点、窄带参量光以及稀土掺杂晶体的量子界面。未来量子网络将是量子通信网络与量子计算网络的结合体,它的构建必然地是基于各种独立物理体系的复合系统,这些工作有效地推进了远程量子通信和分布式量子计算的实用化进程。相关实验技术还有望应用于相对论及量子力学等基础物理理论的实验检验。