量子存储器是量子计算、量子网络和量子计量的核心元件。此前，研究人员已在双物种体系中实现了相干时间约1小时的单量子比特存储器，其中冷却离子为不同物种的存储离子提供协同冷却。然而，室温阱中离子间频繁的随机位置跳变限制了该技术仅适用于单量子比特存储。
12月4日，清华大学、华翊博奥（北京）量子科技有限公司（简称“华翊量子”）、合肥国家实验室组成的研究团队在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Long-Time Storage of a Qubit Encoded in Decoherence-Free Subspace Using a Dual-Type Quantum Memory”（利用双类型量子存储器在无退相干子空间中实现量子比特的长时存储）的研究论文，Y.-L.Xu、L.Zhang、C. Zhang为论文共同第一作者，段路明院士为论文通讯作者。
本研究报道了一种基于双类型方案的低温阱多离子量子存储器，并演示了在纠正常主导的泄漏错误后，编码于无退相干子空间（即双离子纠缠态）的量子比特实现了超过2小时的相干时间。
该方案降低了对存储量子比特超稳定频率基准的需求，且由于亚稳态存储离子与基态冷却离子质量相同，具备更优的可扩展性。这一进展克服了室温离子阱中离子间频繁随机位置跳变对单量子比特存储的限制，为量子计算、量子网络和量子计量学中的量子存储提供了关键要素。
研究背景
量子信息技术，无论是量子计算、量子网络还是量子精密测量，其核心都离不开一个基础元件——量子存储器。量子存储器的作用是长时间地保持量子比特的脆弱量子特性，即相干性。相干时间的长度直接决定了量子系统的性能上限。
在多种量子存储物理系统中，囚禁离子系统因其卓越的隔离性、高保真度的门操作和读出能力，被公认为最有望实现高性能量子存储的平台之一。此前，研究人员曾实现单量子比特约1小时的相干时间记录，这一成果依赖于超稳定微波频率基准和长序列动力学解耦脉冲，通过持续“修正”环境干扰来维持量子态。
但这一方案存在明显的技术瓶颈。其一，室温离子阱中，离子与背景气体分子碰撞引发的随机位置跳变，导致多离子存储时无法精准读取信息；其二，存储离子与冷却离子分属不同物种，质量差异随离子数量增加降低冷却效率，限制存储容量扩展；其三，全局微波场不均匀性及额外操控技术引入的噪声，进一步制约相干时间提升与系统可扩展性。
对于量子计算而言，要实现容错运算，量子比特的相干时间必须远长于基本量子门的执行时间（通常为微秒至毫秒级）。而在量子网络中，长寿命量子存储器是构建量子中继、实现远距离量子纠缠分发的核心组件。在量子传感领域，相干时间则限制了量子探针的询问时长，直接影响了传感器的精度。
现有技术在单量子比特存储上的突破，难以满足大规模量子系统的实际需求，开发兼具长相干时间与高可扩展性的量子存储器，成为行业亟待解决的关键问题。
低温环境下的双类型DFS编码
针对现有技术困境，研究团队提出“低温离子阱+双类型量子比特+无退相干子空间编码”三位一体方案，从根源上解决相干性与可扩展性的矛盾。
（一）低温离子阱
为解决室温阱中离子随机位置跳变的问题，研究采用温度低至6K的低温离子阱。在极低温环境下，背景气体分子的热运动大幅减缓，离子与气体分子的碰撞概率显著降低，从而有效抑制了离子的随机位置跳变。
实验中，3个¹⁷¹Yb⁺离子被囚禁于线性低温刀片阱中，形成稳定的多离子晶体，同时减少离子振动加热与热噪声干扰，为相干时间提升创造前提。
（二）双类型量子比特
针对传统双物种系统的质量失配问题，研究人员提出双类型量子比特方案。这一方案的核心在于：
将存储离子与冷却离子映射至同一离子物种（¹⁷¹Yb⁺）的不同超精细能级，而非采用不同物种的离子。
具体而言，研究人员将冷却离子编码到基态超精细能级（S型量子比特），利用全局370nm激光实现协同冷却，避免存储离子的振动加热。同时将存储离子编码到亚稳态超精细能级（F型量子比特），该能级具有极长的本征寿命（理论上可达数年）。
同一物种的设计使存储离子与冷却离子质量一致，彻底解决多离子系统中冷却效率随离子数量下降的问题，提升系统可扩展性。同时，研究通过聚焦411nm激光与全局12.6GHz微波脉冲的组合，实现两种类型量子比特的相干转换，且转换过程中的串扰误差率低于量子容错阈值，确保了冷却与存储功能的独立运行。
（三）无退相干子空间编码
为抵消低温环境下仍存在的电磁场波动、激光频率漂移等干扰，研究引入无退相干子空间（DFS）编码技术。
无退相干子空间是一种特殊的量子编码方式。DFS技术将逻辑量子比特信息编码到多个物理量子比特的集体态中，使环境干扰对逻辑量子比特的影响相互抵消，对集体自旋消相这一主导误差源具有天然鲁棒性。
此外，无退相干子空间编码还大幅降低了对外部设备的要求。传统长时存储需要超稳定的微波频率基准来补偿频率漂移，而该编码方式下，频率漂移和长波长电磁噪声仅会对逻辑量子比特产生全局相位影响，不会改变其核心信息，因此无需复杂的长序列动力学解耦脉冲，简化了实验系统的同时提升了稳定性。
（四）实验装置与关键流程
实验系统设计为，3个¹⁷¹Yb⁺离子按线性排列，边缘1个为冷却离子，中间2个为存储离子。经全局多普勒冷却与边带冷却后，通过光泵浦将离子初始化为统一基态。利用聚焦411nm激光实现单量子比特旋转，结合反向传播激光束构建两量子比特纠缠门，将存储离子编码为无退相干子空间逻辑态。
图：实验方案
为实现高保真度的量子态探测，研究人员开发了多态探测技术，能够准确区分目标量子态与泄漏到其他能级的量子态，探测保真度对|0_F⟩态达到99%以上，对|1_F⟩态达到93.4%。这种高保真度探测技术，是准确测量相干时间和泄漏误差的关键。
此外，实验中还采用了微波自旋回波技术，进一步抑制磁场梯度带来的相对相位累积，确保逻辑量子比特在长时存储过程中的稳定性。
核心成果
经过一系列精密实验，团队取得了多项具有里程碑意义的成果，核心性能指标远超现有技术水平。
（一）相干时间突破2小时，创亚稳态量子比特新纪录
实验中，研究制备了四种典型的无退相干子空间逻辑态（|0_L⟩、|1_L⟩、|+_L⟩、|-_L⟩），并系统测量了它们在不同存储时间下的保真度。
结果显示，在排除向其他塞曼能级的泄漏事件后，这些逻辑量子比特的相干时间均突破2小时。其中，双量子比特乘积态的存储寿命（类似T₁时间）分别达到τ₀=3.3×10⁴秒（约9.2小时）和τ₁=2.9×10⁴秒（约8.1小时），双量子比特纠缠态的相干时间（T₂时间）达到τ₊=7.9×10³秒（约2.2小时）和τ₋=8.0×10³秒（约2.2小时）。
图：DFS逻辑状态存储保真度F与存储时间T的关系
这一成果不仅远超此前亚稳态量子比特136秒的存储纪录，更重要的是，其相干时间比双类型量子比特的基本门操作时间长数百万倍，比离子-光子纠缠产生时间长数万倍，完全满足容错量子计算和量子中继的核心需求。
（二）无退相干子空间编码的优势
为验证编码方案的优越性，研究对比了三种不同编码方式的存储性能：无退相干子空间逻辑态（|+_L⟩）、单个物理量子比特（|+_F⟩）和非无退相干子空间逻辑态（|+_N⟩）。实验结果清晰表明：
无退相干子空间逻辑态的T₂相干时间远长于物理量子比特，展现出对环境干扰的强大抵御能力；
非无退相干子空间逻辑态由于对消相误差的敏感性翻倍，其相干时间仅为物理量子比特的一半，进一步证实了无退相干子空间编码的合理性与必要性。
图：不同编码方案下存储保真度F与存储时间T的关系
这一对比实验证明，无退相干子空间编码是解决量子存储中环境干扰问题的核心技术路径。
（三）泄漏误差机制的揭示
实验中，研究发现量子态会出现向邻近塞曼能级的泄漏，这是影响存储保真度的主要误差源（未修正时，原始保真度的1/e衰减时间约为2000秒）。通过系统研究，研究揭示了泄漏误差的本质，源于存储离子与背景H₂气体分子的碰撞。
图：泄漏误差分析
为验证这一机制，团队进行了两组关键实验：
一是固定存储时间（800秒），观察不同温度下的泄漏率，发现温度从7K升高至13K时，泄漏率随温度单调上升；
二是通过监测“暗同位素离子”的跳变速率，证实温度升高会导致离子与气体分子的碰撞率增加，与泄漏率变化趋势完全一致。
这一发现为后续误差抑制指明了方向。通过改进真空处理技术降低背景气体浓度，可进一步提升存储保真度。更重要的是，研究人员开发的多态探测技术能够准确区分目标态与泄漏态，可将泄漏误差转化为已知位置的擦除误差，为量子纠错提供了便利。
结语与展望
本研究巧妙地将高寿命的亚稳态量子比特、高效无串扰的双类型编码、稳定的低温囚禁环境以及抗噪声的无退相干子空间（DFS）集成在一起。最终实现的超2小时相干时间，标志着基于囚禁离子系统的量子存储性能达到了新的高度。
总之，段路明院士团队的这项研究，不仅刷新了量子存储性能纪录，更展现了我国在量子科技前沿领域的创新能力和技术实力。它为构建高保真度、长寿命、可扩展的量子存储器奠定了坚实的基础，是推动量子计算和量子网络走向实用化的关键一步。
未来，通过结合更极端的真空技术进一步抑制碰撞，以及将DFS编码与更高级的量子纠错码结合，量子存储器的性能有望得到进一步提升。
主要研究人员
段路明，中国科学院院士，清华大学姚期智讲座教授，清华大学基础科学讲席教授，主要从事量子计算机和量子网络方向的研究。曾获中科院院长特别奖、全国优秀博士论文、饶毓泰基础光学奖、霍英东青年研究奖、中科院自然科学二等奖和国家自然科学二等奖。2004年获美国斯隆研究奖，2005年获海外华人物理学会杰出研究奖，2009年当选美国物理学会会士。2024荣获该年度国际量子奖。段路明院士是继潘建伟院士之后第二位获此殊荣的中国物理学家。
[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/mjqd-9mvf
[2]https://cqi.tsinghua.edu.cn/rydw/jsxl/duanluming.htm
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