中国科学技术大学实现毫秒级可集成量子存储器

郭光灿院士团队在可集成量子存储领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权研究组基于团队原创的无噪声光子回波（NLPE）方案，将可集成量子存储器的存储时间从10微秒级提升至毫秒级，同时成功突破了传统光纤延迟线的效率。该成果3月26日发表在国际知名学术期刊《科学·进展》上。

光量子存储器作为克服信道损耗、构建大尺度量子网络的核心器件，其规模化应用需实现器件的集成化，从而达到小尺寸、低功耗的目标。自2011年以来，国际上已利用多种工艺在稀土掺杂晶体中制备了可集成(chéng)量(liàng)子(zi)存储器。然而，由于集成器件中噪声难以滤除且存储效率受限，现有装置仅能实现在原子激发态的存储，存储时间仅达10微秒级，存储效率远低于光纤延迟线的传输效率，从根本上限制了其在远程量子通信中的实际应用。

为解决这一难题，李传锋、周宗权研究组利用(yòng)飞(fēi)秒(miǎo)激(jī)光(guāng)微(wēi)加(jiā)工(gōng)技术，在掺铕硅酸钇晶体中制备了圆对称的凹陷包层光波导，实现了基于偏振自由度的噪声滤除，并结合团队原创的NLPE量子存储方案大幅提升了存储效率，从而实现了在原子基态的自旋波可集成量子存储 [National Science Review 12, nwae161 (2024)]。

近期，团队在晶体上表面集成了共面电波导，通过施加(jiā)射(shè)频(pín)磁(cí)场(chǎng)实(shí)现(xiàn)对(duì)光(guāng)波(bō)导(dǎo)内(nèi)铕(yǒu)离(lí)子(zi)核(hé)自(zì)旋(xuán)跃(yuè)迁(qiān)的(de)动(dòng)力(lì)学(xué)解(jiě)耦(ǒu)控(kòng)制(zhì)，从(cóng)而(ér)将(jiāng)自(zì)旋(xuán)波(bō)量(liàng)子(zi)存(cún)储(chǔ)寿(shòu)命(mìng)延(yán)长(zhǎng)至(zhì)毫(háo)秒(miǎo)级(jí)。当(dāng)光(guāng)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)存(cún)储(chǔ)时(shí)间(jiān)达(dá)1.021毫(háo)秒(miǎo)时(shí)，其(qí)存储效率达到12.0±0.5%，这一效率远超对应延时的光纤延迟线的传输效率（仅0.01%），充分证明了可集成量子存储器件在功能上已不可能被光纤延迟线替代。

该工作把可集成量子存储器的寿命从10微秒级提升至毫秒级，首次实现了存储效率超越光纤延迟线的突破，为可集成量子存储在长程量子网络中的实际应用奠定了坚实基础。同时，该成果展现了NLPE方案在解决长寿命量子存储信噪比问题上的巨大潜力。审稿人高度评价：“This is a very important achievement in the field of integrated quantum memories”（这是在可集成量子存储领域非常重要的进步），“this work makes a significant contribution to the development of integrated and long-duration quantum memories”（这项工作对可集成和长寿命量子存储器的发展做出了重要贡献）”。

论文第一作者为中国科学院量子信息重点实验室的博士生刘宇平。该工作得到了科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中国科学院青年创新促进会优秀会员的资助。