【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在可集成量子存儲領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的無噪聲光子回波(NLPE)方案，將可集成量子存儲器的存儲時(shí)間從10微秒級提升至毫秒級，同時(shí)成功突破了傳統(tǒng)光纖延遲線的效率。該成果3月26日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。
光量子存儲器作為克服信道損耗、構(gòu)建大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件，其規(guī)模化應(yīng)用需實(shí)現(xiàn)器件的集成化，從而達(dá)到小尺寸、低功耗的目標(biāo)。自2011年以來，國際上已利用多種工藝在稀土摻雜晶體中制備了可集成量子存儲器。然而，由于集成器件中噪聲難以濾除且存儲效率受限，現(xiàn)有裝置僅能實(shí)現(xiàn)在原子激發(fā)態(tài)的存儲，存儲時(shí)間僅達(dá)10微秒級，存儲效率遠(yuǎn)低于光纖延遲線的傳輸效率，從根本上限制了其在遠(yuǎn)程量子通信中的實(shí)際應(yīng)用。
為解決這一難題，李傳鋒、周宗權(quán)研究組利用飛秒激光微加工技術(shù)，在摻銪硅酸釔晶體中制備了圓對稱的凹陷包層光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了基于偏振自由度的噪聲濾除，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的NLPE量子存儲方案大幅提升了存儲效率，從而實(shí)現(xiàn)了在原子基態(tài)的自旋波可集成量子存儲 [National Science Review 12, nwae161 (2024)]。
近期，團(tuán)隊(duì)在晶體上表面集成了共面電波導(dǎo)，通過施加射頻磁場實(shí)現(xiàn)對光波導(dǎo)內(nèi)銪離子核自旋躍遷的動(dòng)力學(xué)解耦控制，從而將自旋波量子存儲壽命延長至毫秒級。當(dāng)光量子比特的存儲時(shí)間達(dá)1.021毫秒時(shí)，其存儲效率達(dá)到12.0±0.5%，這一效率遠(yuǎn)超對應(yīng)延時(shí)的光纖延遲線的傳輸效率(僅0.01%)，充分證明了可集成量子存儲器件在功能上已不可能被光纖延遲線替代。
該工作把可集成量子存儲器的壽命從10微秒級提升至毫秒級，首次實(shí)現(xiàn)了存儲效率超越光纖延遲線的突破，為可集成量子存儲在長程量子網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，該成果展現(xiàn)了NLPE方案在解決長壽命量子存儲信噪比問題上的巨大潛力。審稿人高度評價(jià)：“This is a very important achievement in the field of integrated quantum memories”(這是在可集成量子存儲領(lǐng)域非常重要的進(jìn)步)，“this work makes a significant contribution to the development of integrated and long-duration quantum memories”(這項(xiàng)工作對可集成和長壽命量子存儲器的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn))”。
論文第一作者為中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生劉宇平。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員的資助。
圖1：長壽命可集成量子存儲實(shí)驗(yàn)示意圖，插圖顯示存儲器入射端面的細(xì)節(jié)。
圖2：可集成量子存儲器的效率及壽命表現(xiàn)，光纖延遲線的表現(xiàn)由藍(lán)色虛線表示，紅色五角星是本項(xiàng)成果的表現(xiàn)。
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