清华大学段路明研究组实现微波频段的按需存取量子存储器

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2021年07月12日

该论文第一作者为清华大学交叉信息研究院博士生鲍增晖,通讯作者为段路明教授和张宏毅助理研究员,其他作者包括交叉信息研究院博士生王志凌、李严、马程,博士后吴宇恺以及宋祎璞研究员,该项目得到了国家自然科学基金(项目编号11874235)、国家重点研发计划(项目编号2016YFA0301902)、教育部量子信息前沿科学中心、清华大学科研启动项目、清华大学水木学者计划和博士后国际交流计划引进项目的资助与支持。近日,清华大学交叉信息研究院段路明研究组在量子存储领域取得重要进展,首次在实验中借助对多谐振器系统的动态调控实现了对单光子水平微波脉冲的保相存储和读取,并利用此方法展示了对时分编码量子比特(time-bin qubit)的按需存取,该成果论文《On-demand storage and retrieval of microwave photons using a superconducting multi-resonator quantum memory(基于超导多谐振器量子存储器的微波光子按需存取)》近日发表于国际学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

量子存储器是构建长程量子通信和大规模量子计算系统的重要组成部分,根据工作频段主要分为光量子存储器和微波量子存储器两类。在近年来的研究中,基于固体系统和冷原子系综的光量子存储器已经实现了对多种光子量子态的高效、高保真度存储,有望在长程量子通信和量子网络中得到广泛应用。微波量子存储器主要工作在超导量子比特的特征频段,全功能性的微波存储器是冯诺依曼架构下超导量子计算系统的必备模块,如何借助微波量子存储器实现“飞行量子比特”(flying qubit)与静态量子比特的高效转换是该领域的一个研究热点。

 

 

实验系统示意图 

在此项工作中,研究人员将超导量子干涉器(SQUID)作为可控电感嵌入共平面波导谐振腔构建出可快速调频的微波谐振器,并以目标频率对应半波长作为间距将多个调频谐振器等间隔耦合在宽频传输线波导上形成阵列,通过对每个超导量子干涉器磁通量的精确调控,实现了一个可快速收展的频率梳结构。通过对频率梳在不同阶段的动态调频,实现了对带宽10MHz~55MHz的单光子水平弱相干态微波光子的可控存入和读取。此外,基于频率梳的存储过程具有很高的相位保真度并且可同时存储多个模式的脉冲光子,研究人员进而实现了对一个时分编码飞行量子比特的按需存取。此器件结构类似一个原子频率梳,将谐振腔作为人工原子提供了更多的设计和调控自由度,并且能够兼容超导量子计算芯片工艺和结构,易于集成,对于发展含存储模块的超导量子计算系统有重要价值。

 

 

微波量子存储器对单光子水平微波脉冲信号的按需存取

 

该论文第一作者为清华大学交叉信息研究院博士生鲍增晖,通讯作者为段路明教授和张宏毅助理研究员,其他作者包括交叉信息研究院博士生王志凌、李严、马程,博士后吴宇恺以及宋祎璞研究员,该项目得到了国家自然科学基金(项目编号11874235)、国家重点研发计划(项目编号2016YFA0301902)、教育部量子信息前沿科学中心、清华大学科研启动项目、清华大学水木学者计划和博士后国际交流计划引进项目的资助与支持。

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.010503