清华量子信息中心段路明研究组刷新量子存储容量的国际记录

2017年05月11日 浏览次数: 0

清华大学量子信息中心段路明教授研究组在量子信息领域取得重要进展，首次实现了具有225个存储单元的原子量子存储器，将量子存储器存储容量的国际记录提高了一个多数量级，该成果的研究论文Experimental realization of a multiplexed quantum memory with 225　individually accessible memory cells（《225个存储单元的量子存储器的实验实现》）近日发表于自然子刊Nature Communications（《自然•通讯》）上。

量子存储器是实现长程量子通讯和量子计算机的重要部件。长程量子通讯需要量子中继器，以克服单光子信号在传输信道中的指数衰减问题。2001年，段路明与合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)方案（《自然》414, 2001），利用原子量子存储器和单光子信道的结合，克服光量子信号在光纤中的指数衰减问题。DLCZ方案在量子信息领域影响很大，美国、中国、欧洲的多个研究组致力于其实验实现，取得了系列重要进展，物理学权威综述期刊《Review of Modern Physics》和《自然》有专文介绍这方面的进展，其中提高量子存储器的存储容量被认为是量子中继器实验实现方面的一个关键问题。

此前美国的研究组通过空间分波的方法，实现了12个存储单元的量子存储器。中国有研究组利用高维态空间的方法，实现了3到7维光信号的量子存储，该信号能编码2到3个量子比特。段路明研究组引入二维量子存储阵列的方法（如下图所示），大大提高了量子存储器的存储容量，将原子存储单元的数目增加到225个，比原来的国际记录提高了近20倍。

该实验使用了独特的设计，利用二维可编程光路，近乎完美地保持了两百多个激光光路之间的相干性，从而可以实现量子比特相干性和量子纠缠的存储。实验利用DLCZ方案，实现了光子态与任意一对原子存储单元间量子纠缠的存储与读取，并证明各个量子存储单元可以分别独立操作，避免了相互之间的干扰。这些技术的发展为高容量量子存储器的实现和量子中继器的发展奠定了基础，审稿人认为“实现225个单元的量子存储是量子存储器实用化发展方面的一个重要里程碑”。

该论文的第一作者为清华量子信息中心博士研究生濮云飞，通讯作者为段路明教授，其他作者还包括交叉信息研究院量子信息中心博士研究生蒋楠、杨蒿翔、常炜、李畅。此项目得到教育部、清华大学－九州量子量子网络联合实验室的研究经费支持。清华大学量子信息中心成立于2011年，由世界著名计算机学家、2000年图灵奖得主姚期智院士领导，清华大学姚期智讲座教授段路明担任执行主任，近几年清华量子信息中心在离子、金刚石、超导量子计算和全量子网络方面取得了系列创新成果，在《自然》、《科学》、《自然》子刊、《物理评论快报》等重要学术期刊发表论文数十篇。

论文链接https://www.nature.com/articles/ncomms15359

 

量子存储器二维存储阵列的示意图

 

原子量子存储器阵列实验装置示意图 

 

 

 

实验演示任意原子存储单元与光子间的量子纠缠存储