段路明研究組實現微波頻段的按需存取量子存儲器

2021年07月12日 瀏覽次數: 0

       近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在量子存儲領域取得重要進展，首次在實驗中借助對多諧振器系統的動態調控實現了對單光子水平微波脈沖的保相存儲和讀取，并利用此方法展示了對時分編碼量子比特（time-bin qubit）的按需存取，該成果論文《On-demand storage and retrieval of microwave photons using a superconducting multi-resonator quantum memory（基于超導多諧振器量子存儲器的微波光子按需存取）》近日發表于國際學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

       量子存儲器是構建長程量子通信和大規模量子計算系統的重要組成部分，根據工作頻段主要分為光量子存儲器和微波量子存儲器兩類。在近年來的研究中，基于固體系統和冷原子系綜的光量子存儲器已經實現了對多種光子量子態的高效、高保真度存儲，有望在長程量子通信和量子網絡中得到廣泛應用。微波量子存儲器主要工作在超導量子比特的特征頻段，全功能性的微波存儲器是馮諾依曼架構下超導量子計算系統的必備模塊，如何借助微波量子存儲器實現“飛行量子比特”（flying qubit）與靜態量子比特的高效轉換是該領域的一個研究熱點。

 

 

 

實驗系統示意圖 

      在此項工作中，研究人員將超導量子干涉器（SQUID）作為可控電感嵌入共平面波導諧振腔構建出可快速調頻的微波諧振器，并以目標頻率對應半波長作為間距將多個調頻諧振器等間隔耦合在寬頻傳輸線波導上形成陣列，通過對每個超導量子干涉器磁通量的精確調控，實現了一個可快速收展的頻率梳結構。通過對頻率梳在不同階段的動態調頻，實現了對帶寬10MHz~55MHz的單光子水平弱相干態微波光子的可控存入和讀取。此外，基于頻率梳的存儲過程具有很高的相位保真度并且可同時存儲多個模式的脈沖光子，研究人員進而實現了對一個時分編碼飛行量子比特的按需存取。此器件結構類似一個原子頻率梳，將諧振腔作為人工原子提供了更多的設計和調控自由度，并且能夠兼容超導量子計算芯片工藝和結構，易于集成，對于發展含存儲模塊的超導量子計算系統有重要價值。

 

 

微波量子存儲器對單光子水平微波脈沖信號的按需存取

 

 

 

 

       該論文第一作者為清華大學交叉信息研究院博士生鮑增暉，通訊作者為段路明教授和張宏毅助理研究員，其他作者包括交叉信息研究院博士生王志凌、李嚴、馬程，博士后吳宇愷以及宋祎璞研究員，該項目得到了國家自然科學基金（項目編號11874235）、國家重點研發計劃（項目編號2016YFA0301902）、教育部量子信息前沿科學中心、清華大學科研啟動項目、清華大學水木學者計劃和博士后國際交流計劃引進項目的資助與支持。

 

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.010503