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《225個存儲單元的量子存儲器的實驗實現》（“Experimental realization of a multiplexed quantum memory with 225 individually accessible memory cells”）近日發表于《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該方案，取得了系列重要進展。《現代物理評論》（Review of Modern Physics）和《自然》曾發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，實現了12個存儲單元的量子存儲器。國內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”。