清華大學(xué)量子信息中心段路明研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)具有225個(gè)存儲(chǔ)單元的原子量子存儲(chǔ)器，將量子存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量的國(guó)際記錄提高了一個(gè)多數(shù)量級(jí)。該成果的研究論文《225個(gè)存儲(chǔ)單元的量子存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)》（“Experimental realization of a multiplexed quantum memory with 225 individually accessible memory cells”）近日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

量子存儲(chǔ)器二維存儲(chǔ)陣列示意圖

量子存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程量子通訊和量子計(jì)算機(jī)的重要部件。長(zhǎng)程量子通訊需要量子中繼器，以克服單光子信號(hào)在傳輸信道中的指數(shù)衰減問(wèn)題。2001年，段路明與合作者提出DLCZ（Duan－Lukin－Cirac－Zoller）方案（《自然》414， 2001），利用原子量子存儲(chǔ)器和單光子信道的結(jié)合以抑制衰減。該方案在量子信息領(lǐng)域引起很大反響，美國(guó)、中國(guó)、歐洲的多個(gè)研究組致力于在實(shí)驗(yàn)室上實(shí)現(xiàn)該方案，取得了系列重要進(jìn)展。《現(xiàn)代物理評(píng)論》（Review of Modern Physics）和《自然》曾發(fā)表專文介紹相關(guān)進(jìn)展，其中提高量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量被認(rèn)為是量子中繼器實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

原子量子存儲(chǔ)器陣列實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

此前，美國(guó)有研究組通過(guò)空間分波法，實(shí)現(xiàn)了12個(gè)存儲(chǔ)單元的量子存儲(chǔ)器。國(guó)內(nèi)有研究組利用高維態(tài)空間的方法，實(shí)現(xiàn)了3到7維光信號(hào)的量子存儲(chǔ)，該信號(hào)能編碼2到3個(gè)量子比特。段路明研究組引入二維量子存儲(chǔ)陣列的方法（如下圖所示），大大提高了量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，將原子存儲(chǔ)單元的數(shù)目增加到225個(gè)，比國(guó)際原有記錄提高了近20倍。

實(shí)驗(yàn)演示任意原子存儲(chǔ)單元與光子間的量子糾纏存儲(chǔ)

該實(shí)驗(yàn)利用二維可編程光路，近乎完美地保持了兩百多個(gè)激光光路之間的相干性，從而為量子比特相干性和量子糾纏的存儲(chǔ)提供了條件。實(shí)驗(yàn)利用DLCZ方案，實(shí)現(xiàn)了光子態(tài)與任意一對(duì)原子存儲(chǔ)單元間量子糾纏的存儲(chǔ)與讀取，并證明各量子存儲(chǔ)單元可以分別獨(dú)立操作，避免了相互干擾。這些技術(shù)為高容量量子存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)和量子中繼器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，審稿人認(rèn)為，“實(shí)現(xiàn)225個(gè)單元的量子存儲(chǔ)是量子存儲(chǔ)器實(shí)用化發(fā)展方面的一個(gè)重要里程碑”。