在构建未来量子互联网的征途中，如何高效、可靠地长距离传输量子信息是核心挑战之一。近日，我校物理学院冷原子研究团队取得突破，他们成功展示了一种高性能量子存储器，在多项关键指标综合达到世界领先水平。这项研究不仅提出了“量子互连速率”的全新综合性能指标，更实验演示了冷原子量子存储器在存储维度、效率和保真度上的卓越能力，为实现大规模、可扩展的量子网络铺平了关键道路。相关成果以“High-performance quantum memory for quantum interconnects”为题发表于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》，并被选为Editors’ Suggestion和Featured in Physics。同时《Physics》以“A Quantum Memory Test”为题对本文做概要报道。

单光子是量子通信中最理想的“飞行比特”，但它们在光纤中的传输损耗随距离指数增长，严重限制了远程量子通信的实现。作为克服这一障碍的核心方案，量子中继器通过将长距离链路分割成短段纠缠，并利用纠缠交换操作延长纠缠分发距离。量子存储器作为核心器件，负责同步和缓存纠缠光子，其性能直接影响整个网络的通信速率和容量。一个理想的量子存储器需要在四个方面表现优异：容量大、效率高、保真度高以及寿命长。然而，此前的实验往往只能在一两项指标上表现出色，难以“全能”。如何建立一个统一的、能全面反映存储器在实际应用中性能的量化标准，并制造出同时满足多项严苛要求的存储器，是该领域长期存在的核心难题。

针对上述挑战，研究团队创新性地提出了量子互连速率这一综合性能指标，它被定义为量子信道的信息容量除以光子分发时间。该指标将存储器的容量、存储效率、保真度和存储寿命等关键参数统一纳入考量，为公平、全面地评价和比较不同量子存储器的实际应用潜力提供了首个量化工具。进而团队基于冷原子系综和电磁感应透明技术构建量子存储器，利用完美涡旋光束，成功地在11个空间模式上实现了均匀且超过80%的存储效率。这一特性完美解决了传统轨道角动量模式在高阶时效率下降的问题，为高维编码提供了理想平台。对于在这11维空间内定义的任意光子量子比特，其存储保真度平均高达99.3%，充分证明了存储过程对量子态的极好保护。团队进一步验证了对整个11维光子量子态的存储，存储前后态保真度仅下降3.6%，清晰展示了其可靠的高维量子态存储能力。基于实测数据并假设一个典型的1000公里双嵌套层量子中继器架构，团队利用量子互连速率指标进行性能估算，结果表明该量子存储器能够在一分钟内分发约3.56比特的量子信息，这一数值代表了当前公开报道的量子存储器在该标准化场景下的最高性能。

本研究同时解决了量子存储器领域“如何全面评价”和“如何全面提升”两个关键问题。通过提出量子互连速率新标准，并实验展示一个在效率、保真度和容量上均达到顶尖水平的冷原子量子存储器，该工作为量子中继器和量子互连的实际应用树立了新的标杆。

该工作由我院冷原子研究团队完成，通讯作者为朱诗亮教授、颜辉教授、张善超教授、王云飞研究员和青年教师李畅，共同第一作者包括博士生罗浩轩、任嘉玲和李畅，博士生元媛、青年教师温永立、李建锋也对工作作出重要贡献。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、量子科学与技术国家科技重大专项、广东省量子科学战略专项、广东省自然科学基金等经费支持。

论文链接：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=0b5ba179c304ac4dbc125cc86724e397

亮点报道：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=2b9265d5a5f85ec7202766288f4a67ac

美国物理学会Physics网站撰文亮点报道

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