清華量子信息中心段路明研究組刷新量子存儲容量的國際記錄

2017年05月11日 瀏覽次數: 0

清華大學量子信息中心段路明教授研究組在量子信息領域取得重要進展，首次實現了具有225個存儲單元的原子量子存儲器，將量子存儲器存儲容量的國際記錄提高了一個多數量級，該成果的研究論文Experimental realization of a multiplexed quantum memory with 225　individually accessible memory cells（《225個存儲單元的量子存儲器的實驗實現》）近日發表于自然子刊Nature Communications（《自然•通訊》）上。

量子存儲器是實現長程量子通訊和量子計算機的重要部件。長程量子通訊需要量子中繼器，以克服單光子信號在傳輸信道中的指數衰減問題。2001年，段路明與合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)方案（《自然》414, 2001），利用原子量子存儲器和單光子信道的結合，克服光量子信號在光纖中的指數衰減問題。DLCZ方案在量子信息領域影響很大，美國、中國、歐洲的多個研究組致力于其實驗實現，取得了系列重要進展，物理學權威綜述期刊《Review of Modern Physics》和《自然》有專文介紹這方面的進展，其中提高量子存儲器的存儲容量被認為是量子中繼器實驗實現方面的一個關鍵問題。

此前美國的研究組通過空間分波的方法，實現了12個存儲單元的量子存儲器。中國有研究組利用高維態空間的方法，實現了3到7維光信號的量子存儲，該信號能編碼2到3個量子比特。段路明研究組引入二維量子存儲陣列的方法（如下圖所示），大大提高了量子存儲器的存儲容量，將原子存儲單元的數目增加到225個，比原來的國際記錄提高了近20倍。

該實驗使用了獨特的設計，利用二維可編程光路，近乎完美地保持了兩百多個激光光路之間的相干性，從而可以實現量子比特相干性和量子糾纏的存儲。實驗利用DLCZ方案，實現了光子態與任意一對原子存儲單元間量子糾纏的存儲與讀取，并證明各個量子存儲單元可以分別獨立操作，避免了相互之間的干擾。這些技術的發展為高容量量子存儲器的實現和量子中繼器的發展奠定了基礎，審稿人認為“實現225個單元的量子存儲是量子存儲器實用化發展方面的一個重要里程碑”。

該論文的第一作者為清華量子信息中心博士研究生濮云飛，通訊作者為段路明教授，其他作者還包括交叉信息研究院量子信息中心博士研究生蔣楠、楊蒿翔、常煒、李暢。此項目得到教育部、清華大學－九州量子量子網絡聯合實驗室的研究經費支持。清華大學量子信息中心成立于2011年，由世界著名計算機學家、2000年圖靈獎得主姚期智院士領導，清華大學姚期智講座教授段路明擔任執行主任，近幾年清華量子信息中心在離子、金剛石、超導量子計算和全量子網絡方面取得了系列創新成果，在《自然》、《科學》、《自然》子刊、《物理評論快報》等重要學術期刊發表論文數十篇。

論文鏈接https://www.nature.com/articles/ncomms15359

 

量子存儲器二維存儲陣列的示意圖

 

原子量子存儲器陣列實驗裝置示意圖 

 

 

 

實驗演示任意原子存儲單元與光子間的量子糾纏存儲