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我校郭光燦院士團隊在固態(tài)量子存儲領(lǐng)域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于摻鉺波導(dǎo)實現(xiàn)了通訊波段光子的按需式量子存儲，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)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。

量子存儲器是量子網(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)級損耗下降為多項式級損耗。為利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，量子存儲器應(yīng)工作在通訊波段。稀土鉺離子具有獨特的通訊波段光躍遷，是實現(xiàn)通訊波段量子存儲器的重要候選材料。然而，已有的通訊波段量子存儲器的讀出時間在光子寫入前就已預(yù)先設(shè)定，無法實現(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。為了實現(xiàn)按需式讀取，研究組進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，從而利用電場誘導(dǎo)的斯塔克效應(yīng)來實時調(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)，光子的存儲效率被提升至10.9%，這一效率相比此前報道的可集成通訊波段量子存儲獲得了5倍的增強。電場調(diào)控的按需式量子存儲保真度達(dá)到98.3%，遠(yuǎn)超考慮了存儲效率和光子統(tǒng)計的經(jīng)典極限。

該成果基于鉺離子實現(xiàn)了通信波段的按需式量子存儲，并且這一光纖集成器件可以直接對接現(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)明使得長距離光纖通信成為現(xiàn)實，類似地，基于鉺離子的量子存儲也可用于克服長程量子通信中的指數(shù)級損耗，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價：“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，這一存儲器可以直接工作在通訊波段，并且實現(xiàn)與現(xiàn)有光纖器件的集成）”?！皌he 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)定運行）”。

論文的共同第一作者是中科院量子信息重點實驗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)新促進會的資助。

圖1：光纖直連的通訊波段量子存儲器。(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：存儲保真度。實線是考慮了存儲效率和光子統(tǒng)計的經(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實驗室、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）