上海交大金贤敏团队实现混合架构的室温宽带存储量子网络

量子网络由大规模分布式量子节点和连接节点的量子信道组成，用于实现各种量子增强通信、计算和测量技术。长期以来，实用的可用量子网络一直是量子信息科学领域追求的重要目标之一。然而，仍有两个关键问题亟待解决:第一，光量子在传播中的损耗随距离呈指数增长；其次，光量子态的产生是概率性的这使得量子网络的实际效率非常低20多年前，科学家们提出了量子记忆在推动量子技术进入实际应用中的重要地位一方面，量子存储器可以用于量子中继，使得多条点对点通信链路可以连接，避免了长距离通信的损耗问题，使得长距离量子通信成为可能另一方面，量子存储器可以时分复用的方式产生同步多光子，这对提高量子计算的计算能力非常重要然而，长期以来，构建一个实用的量子存储器一直是一个挑战，它需要同时满足高带宽、高效率、长寿命和低噪声的指标。更重要的是，它可以在室温下工作。

最近，上海交通大学的金先民团队发表了最新一期《科学进步》的最新研究成果，这是美国《科学》杂志的一期副刊，题目是“室温下的混合量子存储使能网络”。提出并实验演示了一种可在室温下工作的宽带存储量子网络混合架构，并构建了两种不同类型的量子存储器作为网络节点由这两种量子存储器组成的混合量子网络可以根据需要产生和存储量子态，并且可以在时域内组合、分离、交换和分割单个或多个光子，同时保持良好的量子特性。这一研究为量子信息处理领域提供了一条新的途径。其室温工作条件和丰富的量子态运算能力对于量子通信、量子计算和量子模拟等实际应用具有重要意义。上海交通大学集成量子信息技术研究中心

的金贤敏教授团队一直致力于室温宽带量子存储的研究，特别是致力于解决室温量子存储中数十亿原子的严重噪声和量子质量退化问题。取得了突破性进展，每次操作的噪音都成功降低到0.0001级。室温宽带光存储被成功推广到量子区

混合宽带存储量子网络原理和实验装置图

研究小组首次提出了基于铯原子能级结构的FORD量子存储方案，该方案可以实现内部单光子量子光源而无需外部单光子光源一束远失谐的写入光脉冲激发发射斯托克斯光子的铯原子气体，同时在原子系综中产生集体激发态，这是储存态经过几年的努力，FORD计划已经真正成为一种可以在室温下运行的宽带量子存储器。此外，该研究团队还构建了一个宽带全光存储器，利用普克尔斯电池来控制飞行光子的偏振态，并可以按需存储和读取外部注入的光子，从而实现与福特存储器的良好兼容性和互补性将上述两种不同类型的量子存储器结合为不同的量子网络节点，量子网络可以实现量子态的产生、存储和传输，同时研究人员观察到其量子特性在很大范围内保持良好。

基于上述两种类型的量子节点，研究人员首次展示了可预测光子链的存储和操纵，例如单光子和多光子的组合、交换、分离、分割等操作在FORD量子存储器中，通过自发拉曼散射过程产生可预测的光子链态，然后将光子链态注入环形存储器。经过一段可控的存储时间后，所有处于光子链状态的单光子都可以以独立的方式被取出，从而组合形成不同的光子链状态。

光子链态产生、存储和操纵

的原理图和测试结果。今天，当量子技术日趋成熟并接近商业化时，量子增强型通信、计算和计量技术比经典技术具有越来越多的优势。关键是解决量子信息处理理论应用中的瓶颈问题，如光量子信道不可避免的损失和量子态的概率量子记忆一直被认为是解决上述问题的关键之一，高性能量子记忆是研究者追求的长期目标。未来，研究团队希望充分探索基于室温宽带量子存储器的量子网络的可扩展性，通过构建更多节点和提高节点性能，使量子网络具有更丰富的量子信息处理能力。

研究团队感谢上海市科委重要项目和国家自然科学基金重点项目的及时帮助。感谢中央组织部千年青年计划、国家重点研发项目和上海市教委的大力支持。本文的第一作者是上海交通大学集成量子信息技术研究中心博士生庞晓玲，通信作者是金先民教授。合作者包括牛津大学的伊恩·沃尔姆斯利教授、以色列魏茨曼科学研究所的约书亚·纳恩博士和艾伦诗博士等。

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