清华大学量子信息中心段路明研究组在量子信息领域取得重要进展，首次实现具有225个存储单元的原子量子存储器，将量子存储器存储容量的国际记录提高了一个多数量级。该成果的研究论文《225个存储单元的量子存储器的实验实现》（“Experimental realization of a multiplexed quantum memory with 225 individually accessible memory cells”）近日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

量子存储器二维存储阵列示意图

量子存储器是实现长程量子通讯和量子计算机的重要部件。长程量子通讯需要量子中继器，以克服单光子信号在传输信道中的指数衰减问题。2001年，段路明与合作者提出DLCZ（Duan－Lukin－Cirac－Zoller）方案（《自然》414， 2001），利用原子量子存储器和单光子信道的结合以抑制衰减。该方案在量子信息领域引起很大反响，美国、中国、欧洲的多个研究组致力于在实验室上实现该方案，取得了系列重要进展。《现代物理评论》（Review of Modern Physics）和《自然》曾发表专文介绍相关进展，其中提高量子存储器的存储容量被认为是量子中继器实验实现方面的一个关键问题。

原子量子存储器阵列实验装置示意图

此前，美国有研究组通过空间分波法，实现了12个存储单元的量子存储器。国内有研究组利用高维态空间的方法，实现了3到7维光信号的量子存储，该信号能编码2到3个量子比特。段路明研究组引入二维量子存储阵列的方法（如下图所示），大大提高了量子存储器的存储容量，将原子存储单元的数目增加到225个，比国际原有记录提高了近20倍。

实验演示任意原子存储单元与光子间的量子纠缠存储

该实验利用二维可编程光路，近乎完美地保持了两百多个激光光路之间的相干性，从而为量子比特相干性和量子纠缠的存储提供了条件。实验利用DLCZ方案，实现了光子态与任意一对原子存储单元间量子纠缠的存储与读取，并证明各量子存储单元可以分别独立操作，避免了相互干扰。这些技术为高容量量子存储器的实现和量子中继器的发展奠定了基础，审稿人认为，“实现225个单元的量子存储是量子存储器实用化发展方面的一个重要里程碑”。