中國科學家團隊在固態量子存儲領域取得進展

近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在固態量子存儲領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權研究組基于摻鉺波導實現了通訊波段光子的按需式量子存儲，向構建大尺度光纖量子網絡邁出重要一步。

量子存儲器是量子網絡的核心器件，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級損耗下降為多項式級損耗。為利用現有的光纖網絡構建量子網絡，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，無法實現按需式讀取。

李傳鋒、周宗權研究組在摻鉺硅酸釔晶體上利用激光直寫技術自主加工了光波導，并在波導兩端直接粘貼集成了普通的單模光纖。為了實現按需式讀取，研究組進一步利用電子蒸鍍技術在波導兩側加工了片上電極，從而利用電場誘導的斯塔克效應來實時調控波導內鉺離子的相干演化。通過極化鉺離子的電子自旋，并初始化其核自旋狀態，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計的經典極限。

該成果基于鉺離子實現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有的光纖網絡。在經典通信領域，摻鉺光纖放大器的發明使得長距離光纖通信成為現實，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級損耗，使得鉺離子有望再在量子網絡的建設中扮演重要角色。