清華大學量子信息中心段路明研究組在量子信息領域取得重要進展，首次實現(xiàn)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(shù)量級。該成果的研究論文《225個存儲單元的量子存儲器的實驗實現(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）。

量子存儲器二維存儲陣列示意圖

量子存儲器是實現(xiàn)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(shù)衰減問題。2001年，段路明與合作者提出DLCZ（Duan－Lukin－Cirac－Zoller）方案（《自然》414， 2001），利用原子量子存儲器和單光子信道的結合以抑制衰減。該方案在量子信息領域引起很大反響，美國、中國、歐洲的多個研究組致力于在實驗室上實現(xiàn)該方案，取得了系列重要進展?！冬F(xiàn)代物理評論》（Review of Modern Physics）和《自然》曾發(fā)表專文介紹相關進展，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(xiàn)方面的一個關鍵問題。

原子量子存儲器陣列實驗裝置示意圖

此前，美國有研究組通過空間分波法，實現(xiàn)了12個存儲單元的量子存儲器。國內有研究組利用高維態(tài)空間的方法，實現(xiàn)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(shù)目增加到225個，比國際原有記錄提高了近20倍。

實驗演示任意原子存儲單元與光子間的量子糾纏存儲

該實驗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，從而為量子比特相干性和量子糾纏的存儲提供了條件。實驗利用DLCZ方案，實現(xiàn)了光子態(tài)與任意一對原子存儲單元間量子糾纏的存儲與讀取，并證明各量子存儲單元可以分別獨立操作，避免了相互干擾。這些技術為高容量量子存儲器的實現(xiàn)和量子中繼器的發(fā)展奠定了基礎，審稿人認為，“實現(xiàn)225個單元的量子存儲是量子存儲器實用化發(fā)展方面的一個重要里程碑”。