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清華大學(xué)首次實(shí)現(xiàn)具有225個(gè)存儲(chǔ)單元的量子存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)

2017-05-10

清華大學(xué)量子信息中心段路明研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,首次實(shí)現(xiàn)具有225個(gè)存儲(chǔ)單元的原子量子存儲(chǔ)器,將量子存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量的國(guó)際記錄提高了一個(gè)多數(shù)量級(jí)。該成果的研究論文《225個(gè)存儲(chǔ)單元的量子存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)實(shí)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)。

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量子存儲(chǔ)器二維存儲(chǔ)陣列示意圖

量子存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程量子通訊量子計(jì)算機(jī)的重要部件。長(zhǎng)程量子通訊需要量子中繼器,以克服單光子信號(hào)在傳輸信道中的指數(shù)衰減問(wèn)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(chǔ)器和單光子信道的結(jié)合以抑制衰減。該方案在量子信息領(lǐng)域引起很大反響,美國(guó)、中國(guó)、歐洲的多個(gè)研究組致力于在實(shí)驗(yàn)室上實(shí)現(xiàn)該方案,取得了系列重要進(jìn)展?!冬F(xiàn)代物理評(píng)論》(Review of Modern Physics)和《自然》曾發(fā)表專文介紹相關(guān)進(jìn)展,其中提高量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量被認(rèn)為是量子中繼器實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

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原子量子存儲(chǔ)器陣列實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

此前,美國(guó)有研究組通過(guò)空間分波法,實(shí)現(xiàn)了12個(gè)存儲(chǔ)單元的量子存儲(chǔ)器。國(guó)內(nèi)有研究組利用高維態(tài)空間的方法,實(shí)現(xiàn)了3到7維光信號(hào)的量子存儲(chǔ),該信號(hào)能編碼2到3個(gè)量子比特。段路明研究組引入二維量子存儲(chǔ)陣列的方法(如下圖所示),大大提高了量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量,將原子存儲(chǔ)單元的數(shù)目增加到225個(gè),比國(guó)際原有記錄提高了近20倍。

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實(shí)驗(yàn)演示任意原子存儲(chǔ)單元與光子間的量子糾纏存儲(chǔ)

該實(shí)驗(yàn)利用二維可編程光路,近乎完美地保持了兩百多個(gè)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(chǔ)提供了條件。實(shí)驗(yàn)利用DLCZ方案,實(shí)現(xiàn)了光子態(tài)與任意一對(duì)原子存儲(chǔ)單元間量子糾纏的存儲(chǔ)與讀取,并證明各量子存儲(chǔ)單元可以分別獨(dú)立操作,避免了相互干擾。這些技術(shù)為高容量量子存儲(chǔ)器的實(shí)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(shí)現(xiàn)225個(gè)單元的量子存儲(chǔ)是量子存儲(chǔ)器實(shí)用化發(fā)展方面的一個(gè)重要里程碑”。

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