近日，清华大学交叉信息研究院濮云飞和段路明研究组，在冷原子系统中实现了可随机存取1000个光量子比特的超大规模多用途量子存储器。该成果论文以“Realization of a Programmable Multipurpose Photonic Quantum Memory with Over-Thousand Qubit Manipulations”为题，于2024年4月25日在Physical Review X（《物理评论X》）杂志在线发表。

量子存储器是实现分布式量子计算，量子通讯网络，网络化量子精密测量的关键部件。同时具备高保真度，长存储寿命，多存储模式，以及随机存取功能的光量子存储器是实现长距离量子中继和超大规模量子计算网络的必备条件。目前可以用来处理超大规模光量子比特流的量子存储器尚未实现。

图1：量子网络架构和超大规模量子随机读取存储器

在本工作中，濮云飞、段路明研究组实验实现了具有72个光量子存储单元（规模同目前最大的量子计算机相当），存储时间>500微秒（光子在100km光纤中传输的时间），以及1000次光量子比特操作（对于一个72光量子比特的输入序列可产生72!≈种不同的输出序列），是之前的世界纪录12次的接近100倍。在此基础上，本工作首先展示了一个接近于经典计算机中的随机读写存储器（RAM）的光量子随机读写，在1000次读写中，存储的平均保真度为93(5）%。

图2：随机存取1000个光量子比特

此外，本工作也展示了几种在经典信息处理中的数据结构在量子系统中的实现。分别实现了量子队列，量子堆栈，和量子缓存器。这些实现对于拓展量子存储的工具库以及对未来更大规模和更加复杂的量子体系，例如量子操作系统的实现有帮助。

图3：量子队列，堆栈，缓存器的实验实现

最后，本工作展示了连续4个随机产生的纠缠光子对的存储，同步，以及交换顺序的输出。这对于量子中继以及量子路由器的实现至关重要。

图4：同步和交换四个纠缠光子对

该论文第一作者为清华大学交叉信息院博士后张胜，共同通讯作者为清华大学交叉信息院段路明教授和濮云飞助理教授。其他作者还包括清华大学交叉信息院2022级博士生石纪轩、2022级博士生崔翟斌、2019级博士生王也，以及助理教授吴宇恺。此项目得到了科技创新2030、清华大学自主科研计划、教育部、清华大学笃实专项和启动经费、国家重点研发计划的资助与支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.021018