中国科大实现通讯波段的按需式量子存储

中国科大郭光灿院士团队在固态量子存储领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权研究组基于掺铒波导实现了通讯波段光子的按需式量子存储，向构建大尺度光纤量子网络迈出重要一步。该成果于11月15日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

量子存储器是量子网络的核心器件，通过按需式读取纠缠光子，可以把远距离光纤传输中的指数级损耗下降为多项式级损耗。为利用现有的光纤网络构建量子网络，量子存储器应工作在通讯波段。稀土铒离子具有独特的通讯波段光跃迁，是实现通讯波段量子存储器的重要候选材料。然而，已有的通讯波段量子存储器的读出时间在光子写入前就已预先设定，无法实现按需式读取。

李传锋、周宗权研究组在掺铒硅酸钇(167Er3+:Y2SiO5)晶体上利用激光直写技术自主加工了光波导，并在波导两端直接粘贴集成了普通的单模光纤。为了实现按需式读取，研究组进一步利用电子蒸镀技术在波导两侧加工了片上电极，从而利用电场诱导的斯塔克效应来实时调控波导内铒离子的相干演化。通过极化铒离子的电子自旋，并初始化其核自旋状态，光子的存储效率被提升至10.9%，这一效率相比此前报道的可集成通讯波段量子存储获得了5倍的增强。电场调控的按需式量子存储保真度达到98.3%，远超考虑了存储效率和光子统计的经典极限。

该成果基于铒离子实现了通信波段的按需式量子存储，并且这一光纤集成器件可以直接对接现有的光纤网络。在经典通信领域，掺铒光纤放大器的发明使得长距离光纤通信成为现实，类似地，基于铒离子的量子存储也可用于克服长程量子通信中的指数级损耗，使得铒离子有望再在量子网络的建设中扮演重要角色。

该工作得到审稿人的高度评价：“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（通过采用铒离子掺杂，这一存储器可以直接工作在通讯波段，并且实现与现有光纤器件的集成）”。“the results show important improvements with respect to previous demonstrations, especially regarding the stable fiber gluing to the waveguide in a cryogenic environment（这一工作相比前人工作取得了重要的进展，尤其是把光纤直接粘贴到光波导上，支持低温环境下的稳定运行）”。

论文的共同第一作者是中科院量子信息重点实验室博士研究生刘端程和博士后李佩耘。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委及安徽省的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。


图1：光纤直连的通讯波段量子存储器。(a).光纤阵列与掺铒波导连接的局部细节图; (b).波导横截面的放大细节图。


图2：存储保真度。实线是考虑了存储效率和光子统计的经典极限。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.210501