中國科學家團隊在固態(tài)量子存儲領(lǐng)域取得進展

近日，中國科學技術(shù)大學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)絡邁出重要一步。

量子存儲器是量子網(wǎng)絡的核心器件，通過按需式讀取糾纏光子，可以把遠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)絡構(gòu)建量子網(wǎng)絡，量子存儲器應工作在通訊波段。

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先設定，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晶體上利用激光直寫技術(shù)自主加工了光波導，并在波導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)在波導兩側(cè)加工了片上電極，從而利用電場誘導的斯塔克效應來實時調(diào)控波導內(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到98.3%，遠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。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)絡的建設中扮演重要角色。