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
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
——首次實現(xiàn)具有225個存儲單元的原子量子存儲器
2017年05月11日 瀏覽次數(shù): 0
清華大學(xué)量子信息中心段路明教授研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進展，首次實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)》）近日發(fā)表于自然子刊Nature Communications（《自然?通訊》）上。
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(jié)合，克服光量子信號在光纖中的指數(shù)衰減問題。DLCZ方案在量子信息領(lǐng)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(xiàn)，取得了系列重要進展，物理學(xué)權(quán)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(rèn)為是量子中繼器實驗實現(xiàn)方面的一個關(guān)鍵問題。
此前美國的研究組通過空間分波的方法，實現(xiàn)了12個存儲單元的量子存儲器。中國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，比原來的國際記錄提高了近20倍。
該實驗使用了獨特的設(shè)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(xiàn)量子比特相干性和量子糾纏的存儲。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(shù)的發(fā)展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(chǔ)，審稿人認(rèn)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”。
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(xué)－九州量子量子網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實驗室的研究經(jīng)費支持。清華大學(xué)量子信息中心成立于2011年，由世界著名計算機學(xué)家、2000年圖靈獎得主姚期智院士領(lǐng)導(dǎo)，清華大學(xué)姚期智講座教授段路明擔(dān)任執(zhí)行主任，近幾年清華量子信息中心在離子、金剛石、超導(dǎo)量子計算和全量子網(wǎng)絡(luò)方面取得了系列創(chuàng)新成果，在《自然》、《科學(xué)》、《自然》子刊、《物理評論快報》等重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文數(shù)十篇。
論文鏈接https://www.nature.com/articles/ncomms15359
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量子存儲器二維存儲陣列的示意圖
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原子量子存儲器陣列實驗裝置示意圖?
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實驗演示任意原子存儲單元與光子間的量子糾纏存儲
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