中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在固態(tài)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)研究組基于摻鉺波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了通訊波段光子的按需式量子存儲(chǔ)，向構(gòu)建大尺度光纖量子網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步。該成果于11月15日發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

量子存儲(chǔ)器是量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件，通過按需式讀取糾纏光子，可以把遠(yuǎn)距離光纖傳輸中的指數(shù)級(jí)損耗下降為多項(xiàng)式級(jí)損耗。為利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，量子存儲(chǔ)器應(yīng)工作在通訊波段。稀土鉺離子具有獨(dú)特的通訊波段光躍遷，是實(shí)現(xiàn)通訊波段量子存儲(chǔ)器的重要候選材料。然而，已有的通訊波段量子存儲(chǔ)器的讀出時(shí)間在光子寫入前就已預(yù)先設(shè)定，無法實(shí)現(xiàn)按需式讀取。

李傳鋒、周宗權(quán)研究組在摻鉺硅酸釔(167Er3+:Y2SiO5)晶體上利用激光直寫技術(shù)自主加工了光波導(dǎo)，并在波導(dǎo)兩端直接粘貼集成了普通的單模光纖。為了實(shí)現(xiàn)按需式讀取，研究組進(jìn)一步利用電子蒸鍍技術(shù)在波導(dǎo)兩側(cè)加工了片上電極，從而利用電場(chǎng)誘導(dǎo)的斯塔克效應(yīng)來實(shí)時(shí)調(diào)控波導(dǎo)內(nèi)鉺離子的相干演化。通過極化鉺離子的電子自旋，并初始化其核自旋狀態(tài)，光子的存儲(chǔ)效率被提升至10.9%，這一效率相比此前報(bào)道的可集成通訊波段量子存儲(chǔ)獲得了5倍的增強(qiáng)。電場(chǎng)調(diào)控的按需式量子存儲(chǔ)保真度達(dá)到98.3%，遠(yuǎn)超考慮了存儲(chǔ)效率和光子統(tǒng)計(jì)的經(jīng)典極限。

該成果基于鉺離子實(shí)現(xiàn)了通信波段的按需式量子存儲(chǔ)，并且這一光纖集成器件可以直接對(duì)接現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)。在經(jīng)典通信領(lǐng)域，摻鉺光纖放大器的發(fā)明使得長(zhǎng)距離光纖通信成為現(xiàn)實(shí)，類似地，基于鉺離子的量子存儲(chǔ)也可用于克服長(zhǎng)程量子通信中的指數(shù)級(jí)損耗，使得鉺離子有望再在量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中扮演重要角色。

該工作得到審稿人的高度評(píng)價(jià)：“By transitioning from europium to erbium the memory can be operated directly at the telecommunication wavelength and as such could integrate their devices with existing fiber optic technologies（通過采用鉺離子摻雜，這一存儲(chǔ)器可以直接工作在通訊波段，并且實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有光纖器件的集成）”。“the results show important improvements with respect to previous demonstrations, especially regarding the stable fiber gluing to the waveguide in a cryogenic environment（這一工作相比前人工作取得了重要的進(jìn)展，尤其是把光纖直接粘貼到光波導(dǎo)上，支持低溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行）”。

論文的共同第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生劉端程和博士后李佩耘。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委及安徽省的資助。周宗權(quán)得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。

圖1：光纖直連的通訊波段量子存儲(chǔ)器。(a).光纖陣列與摻鉺波導(dǎo)連接的局部細(xì)節(jié)圖; (b).波導(dǎo)橫截面的放大細(xì)節(jié)圖。

圖2：存儲(chǔ)保真度。實(shí)線是考慮了存儲(chǔ)效率和光子統(tǒng)計(jì)的經(jīng)典極限。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.210501

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/81081.htm

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