清華新聞網(wǎng)4月29日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院濮云飛和段路明研究組在冷原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了可隨機(jī)存取1000個(gè)光量子比特的超大規(guī)模多用途量子存儲(chǔ)器。
量子存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算、量子通訊網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)化量子精密測(cè)量的關(guān)鍵部件。同時(shí)具備高保真度、長存儲(chǔ)壽命、多存儲(chǔ)模式以及隨機(jī)存取功能的光量子存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)長距離量子中繼和超大規(guī)模量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的必備條件。目前可以用來處理超大規(guī)模光量子比特流的量子存儲(chǔ)器尚未實(shí)現(xiàn)。
圖1.量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和超大規(guī)模量子隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器
在本研究工作中，濮云飛、段路明研究組實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了具有72個(gè)光量子存儲(chǔ)單元（規(guī)模同目前最大的量子計(jì)算機(jī)相當(dāng)），存儲(chǔ)時(shí)間>500微秒（光子在100km光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間），以及1000次光量子比特操作（對(duì)于一個(gè)72光量子比特的輸入序列可產(chǎn)生72!種不同的輸出序列），是之前的世界紀(jì)錄12次的接近100倍。在此基礎(chǔ)上，本工作首先展示了一個(gè)接近于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）的光量子隨機(jī)讀寫，在1000次讀寫中，存儲(chǔ)的平均保真度為93(5）%。
圖2.隨機(jī)存取1000個(gè)光量子比特
此外，本工作也展示了幾種在經(jīng)典信息處理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在量子系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。分別實(shí)現(xiàn)了量子隊(duì)列、量子堆棧和量子緩存器。這些實(shí)現(xiàn)對(duì)于拓展量子存儲(chǔ)的工具庫以及對(duì)未來更大規(guī)模和更加復(fù)雜的量子體系，例如量子操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有幫助。
圖3.量子隊(duì)列、堆棧、緩存器的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)
最后，本工作展示了連續(xù)四個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)的存儲(chǔ)、同步，以及交換順序的輸出。這對(duì)于量子中繼以及量子路由器的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。
圖4.同步和交換四個(gè)糾纏光子對(duì)
4月25日，相關(guān)研究成果以“實(shí)現(xiàn)可隨機(jī)存取1000個(gè)光量子比特的超大規(guī)模多用途量子存儲(chǔ)器”（Realization of a Programmable Multipurpose Photonic Quantum Memory with Over-Thousand Qubit Manipulations）為題，在《物理評(píng)論X》（Physical Review X）雜志在線發(fā)表。
清華大學(xué)交叉信息院博士后張勝為論文第一作者，清華大學(xué)交叉信息院教授段路明和助理教授濮云飛為論文共同通訊作者。其他作者還包括清華大學(xué)交叉信息研究院2022級(jí)博士生石紀(jì)軒、崔翟斌，2019級(jí)博士生王也，以及助理教授吳宇愷。研究得到科技創(chuàng)新2030、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、教育部、清華大學(xué)篤實(shí)專項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助與支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.021018
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
