近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在可集成量子存儲(chǔ)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的無噪聲光子回波（NLPE）方案，將可集成量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)時(shí)間從10微秒級(jí)提升至毫秒級(jí)，同時(shí)成功突破了傳統(tǒng)光纖延遲線的效率。該成果3月26日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。

光量子存儲(chǔ)器作為克服信道損耗、構(gòu)建大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件，其規(guī)模化應(yīng)用需實(shí)現(xiàn)器件的集成化，從而達(dá)到小尺寸、低功耗的目標(biāo)。自2011年以來，國際上已利用多種工藝在稀土摻雜晶體中制備了可集成量子存儲(chǔ)器。然而，由于集成器件中噪聲難以濾除且存儲(chǔ)效率受限，現(xiàn)有裝置僅能實(shí)現(xiàn)在原子激發(fā)態(tài)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)間僅達(dá)10微秒級(jí)，存儲(chǔ)效率遠(yuǎn)低于光纖延遲線的傳輸效率，從根本上限制了其在遠(yuǎn)程量子通信中的實(shí)際應(yīng)用。

為解決這一難題，李傳鋒、周宗權(quán)研究組利用飛秒激光微加工技術(shù)，在摻銪硅酸釔晶體中制備了圓對(duì)稱的凹陷包層光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了基于偏振自由度的噪聲濾除，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的NLPE量子存儲(chǔ)方案大幅提升了存儲(chǔ)效率，從而實(shí)現(xiàn)了在原子基態(tài)的自旋波可集成量子存儲(chǔ) [National Science Review 12, nwae161 (2024)]。

近期，團(tuán)隊(duì)在晶體上表面集成了共面電波導(dǎo)，通過施加射頻磁場實(shí)現(xiàn)對(duì)光波導(dǎo)內(nèi)銪離子核自旋躍遷的動(dòng)力學(xué)解耦控制，從而將自旋波量子存儲(chǔ)壽命延長至毫秒級(jí)。當(dāng)光量子比特的存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)1.021毫秒時(shí)，其存儲(chǔ)效率達(dá)到12.0±0.5%，這一效率遠(yuǎn)超對(duì)應(yīng)延時(shí)的光纖延遲線的傳輸效率（僅0.01%），充分證明了可集成量子存儲(chǔ)器件在功能上已不可能被光纖延遲線替代。

圖1.長壽命可集成量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)示意圖，插圖顯示存儲(chǔ)器入射端面的細(xì)節(jié)。

圖2.可集成量子存儲(chǔ)器的效率及壽命表現(xiàn)，光纖延遲線的表現(xiàn)由藍(lán)色虛線表示，紅色五角星是本項(xiàng)成果的表現(xiàn)。

該工作把可集成量子存儲(chǔ)器的壽命從10微秒級(jí)提升至毫秒級(jí)，首次實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)效率超越光纖延遲線的突破，為可集成量子存儲(chǔ)在長程量子網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，該成果展現(xiàn)了NLPE方案在解決長壽命量子存儲(chǔ)信噪比問題上的巨大潛力。審稿人高度評(píng)價(jià)：“This is a very important achievement in the field of integrated quantum memories”（這是在可集成量子存儲(chǔ)領(lǐng)域非常重要的進(jìn)步），“this work makes a significant contribution to the development of integrated and long-duration quantum memories”（這項(xiàng)工作對(duì)可集成和長壽命量子存儲(chǔ)器的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)）”。

論文第一作者為中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生劉宇平。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員的資助。

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