量子存儲(chǔ)器是量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件，稀土元素—鉺 (Er)具有獨(dú)特的通信波段光學(xué)躍遷，是實(shí)現(xiàn)通信波段量子存儲(chǔ)器的重要候選材料，對利用現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)有著重要的意義。近日，南京大學(xué)馬小松、陸延青、祝世寧團(tuán)隊(duì)，結(jié)合晶體摻雜的同位素鉺離子能級(jí)的高相干性和氮化硅光量子芯片的窄線寬、高亮度量子糾纏光源，成功實(shí)現(xiàn)了通信波段光量子糾纏態(tài)的微秒級(jí)存儲(chǔ)。該工作大幅增加了通信波段糾纏光子的存儲(chǔ)時(shí)間，超越之前世界紀(jì)錄兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并且首次實(shí)現(xiàn)了光量子芯片光源與量子存儲(chǔ)器的對接，有望在規(guī)?；孔泳W(wǎng)絡(luò)等方面實(shí)現(xiàn)重要應(yīng)用。相關(guān)研究工作近期以 “Quantum storage of entangled photons at telecom wavelengths in a crystal” 為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。

圖一：通訊波段量子存儲(chǔ)概念圖

       量子中繼協(xié)議是實(shí)現(xiàn)長距離量子網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。根據(jù)量子不可克隆原理，量子實(shí)驗(yàn)中無法使用經(jīng)典通信中繼補(bǔ)償光子傳輸過程中隨距離而指數(shù)級(jí)增加的損耗。量子中繼協(xié)議利用糾纏光源、量子存儲(chǔ)器和糾纏交換等技術(shù)，將這一損耗降低至多項(xiàng)式級(jí)。為利用成熟的光纖網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子中繼協(xié)議，糾纏光源和量子存儲(chǔ)器的理想工作范圍是通信波段。

圖二：實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖。a)糾纏光源。b)量子存儲(chǔ)器。c)糾纏分析儀。

       本研究團(tuán)隊(duì)基于集成光學(xué)技術(shù)，使用氮化硅芯片集成的雙馬赫曾德干涉儀型微環(huán)諧振器作為通信波段量子光源，通過四波混頻過程激發(fā)產(chǎn)生窄線寬、高亮度的糾纏光子對。

       更進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)使用基于同位素鉺摻雜晶體(¹⁶⁷Er³⁺:Y₂SiO₅)的原子頻率梳型量子存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了對片上微環(huán)產(chǎn)生的通信波段糾纏光子的量子存儲(chǔ)。通過凍結(jié)¹⁶⁷Er³⁺離子的電子自旋、部分極化其核自旋、優(yōu)化原子頻率梳的周期，光子的存儲(chǔ)時(shí)間被提升至1936 ns，較此前報(bào)道的通信波段糾纏光子存儲(chǔ)獲得了387倍的提升。通過entanglement witness，研究團(tuán)隊(duì)證明了光子對之間的糾纏性質(zhì)在量子存儲(chǔ)過程前后得到了保持。

       晶體摻雜的同位素鉺離子能級(jí)的高相干性顯著提升了通信波段糾纏光子的存儲(chǔ)時(shí)間，氮化硅光量子芯片提供了可集成的窄線寬、高亮度糾纏光源。該研究在通信波段將光量子芯片和固態(tài)量子存儲(chǔ)器相結(jié)合，為利用光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)基于量子中繼的長距離量子糾纏網(wǎng)絡(luò)提供了重要基礎(chǔ)。

圖三：a)氮化硅芯片上的微環(huán)諧振器。b)雙光子時(shí)間關(guān)聯(lián)表現(xiàn)出長相干時(shí)間。

c)量子存儲(chǔ)器設(shè)置不同存儲(chǔ)時(shí)間(1296~1936ns)，并改變了雙光子時(shí)間關(guān)聯(lián)。

       南京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生姜明浩、薛文奕為文章的共同第一作者，何謙同學(xué)、安雨楊同學(xué)、鄭曉冬同學(xué)、徐文杰同學(xué)和謝玉波博士對本文亦有重要貢獻(xiàn)。南京大學(xué)物理學(xué)院馬小松教授為該文章的通訊作者。南京大學(xué)祝世寧院士和陸延青教授對該工作進(jìn)行深入指導(dǎo)。這項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金前沿技術(shù)計(jì)劃、中央高?；A(chǔ)研究基金和量子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃等基金項(xiàng)目的資助。同時(shí)這項(xiàng)工作得到了南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息和量子物理協(xié)同創(chuàng)新中心和合肥國家實(shí)驗(yàn)室的支持。

課題組鏈接：

http://qoqi.nju.edu.cn/

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42741-1

新聞鏈接：https://physics.nju.edu.cn/kxyj/cgsd/20231103/i252666.html

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