近日，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。

前述團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于自主加工的激光直寫波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了光子偏振態(tài)的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)，存儲(chǔ)保真度高達(dá)99.4±0.6%，顯著推進(jìn)可集成量子存儲(chǔ)器在量子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》(Science Bulletin)和《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

a為實(shí)驗(yàn)裝置圖；b為硅酸釔晶體中替位二銪離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖；c為晶體俯視圖，兩側(cè)金屬為集成的共面電極；d為晶體側(cè)視圖，虛線框內(nèi)是光波導(dǎo)；e為波導(dǎo)傳輸模式的橫截面，圖片來(lái)自論文

光子的偏振態(tài)具有操作精度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在量子信息工作中具有廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的可集成量子存儲(chǔ)，是構(gòu)建大尺度可集成量子網(wǎng)絡(luò)的基本需求。

稀土摻雜晶體作為一種性能優(yōu)異的固態(tài)量子存儲(chǔ)介質(zhì)，能夠結(jié)合多種微納工藝，制備出可集成的量子存儲(chǔ)器。然而，已有的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器均無(wú)法實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)，這是由于稀土摻雜晶體的光吸收一般依賴于偏振態(tài)，并且其微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也不支持任意偏振態(tài)的傳輸。

摻銪硅酸釔晶體是實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)量子優(yōu)盤的重要候選材料，李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于該材料在2021年已實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)的相干光存儲(chǔ)。近期工作中，團(tuán)隊(duì)注意到摻銪硅酸釔晶體中占據(jù)第二類釔替位的Eu^(3+)（下稱替位二銪離子）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意偏振態(tài)的均勻吸收。

此次，團(tuán)隊(duì)首先采用光譜燒孔技術(shù)測(cè)定替位二銪離子的準(zhǔn)確能級(jí)結(jié)構(gòu)，再結(jié)合研究組原創(chuàng)的“無(wú)噪聲光子回波(NLPE)”量子存儲(chǔ)方案，以克服替位二銪離子的弱吸收問(wèn)題，最終基于單次通過(guò)的單塊晶體，實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)。該研究提出并證實(shí)了替位二銪離子可實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)，并發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》(Science Bulletin)。

圖片來(lái)自《科學(xué)通報(bào)》(Science Bulletin)

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用飛秒激光直寫技術(shù)，在摻銪硅酸釔晶體中加工出凹陷包層波導(dǎo)。這種波導(dǎo)具有圓對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，可以支持任意偏振態(tài)的低損耗傳輸。他們采用光譜燒孔技術(shù)提升替位二銪離子的吸收深度達(dá)2.6倍，再結(jié)合電場(chǎng)調(diào)制的原子頻率梳量子存儲(chǔ)方案，成功基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)。其量子存儲(chǔ)保真度達(dá)99.4±0.6%，驗(yàn)證了這一可集成器件的高可靠性，該成果5月2日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

圖片來(lái)自《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)

前述研究將光子的偏振自由度應(yīng)用到可集成量子存儲(chǔ)領(lǐng)域，為基于偏振編碼構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，偏振自由度為可集成器件的噪聲抑制提供了一個(gè)有效的濾波自由度，對(duì)于可集成量子存儲(chǔ)的實(shí)用化具有重要意義。

“論文報(bào)道了重要的成果，因?yàn)樗状握故玖斯杷後惥w中激光直寫波導(dǎo)與偏振編碼的兼容性，拓展了這一新型集成工藝平臺(tái)的技術(shù)適用性?！睂徃迦藢?duì)此評(píng)價(jià)，“這一實(shí)驗(yàn)顯然處于最先進(jìn)的技術(shù)水平，具有最高的復(fù)雜性和技術(shù)性?！?/p>

兩篇論文的第一作者分別為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生靳明和朱天翔。樣品電極加工得到中國(guó)科大微納加工中心葉陽(yáng)和李文娟支持。前述研究獲得科技部、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及安徽省資助。中科大周宗權(quán)獲得中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)資助。