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中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊(duì)在可集成量子存儲(chǔ)領(lǐng)域取得進(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(chǔ)器的存儲(chǔ)時(shí)間從10微秒級(jí)提升至毫秒級(jí)，突破了傳統(tǒng)光纖延遲線的效率。

光量子存儲(chǔ)器是克服信道損耗、構(gòu)建大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件。光量子存儲(chǔ)器規(guī)?；瘧?yīng)用需實(shí)現(xiàn)器件的集成化，以達(dá)到小尺寸、低功耗的目標(biāo)。自2011年以來，國(guó)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(chǔ)器。然而，由于集成器件中噪聲難以濾除且存儲(chǔ)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(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)間僅達(dá)10微秒級(jí)，存儲(chǔ)效率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(duì)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，同時(shí)結(jié)合團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的NLPE量子存儲(chǔ)方案提升了存儲(chǔ)效率，實(shí)現(xiàn)了在原子基態(tài)的自旋波可集成量子存儲(chǔ)。

近期，該團(tuán)隊(duì)在晶體表面集成共面電波導(dǎo)，通過施加射頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)壽命延長(zhǎng)至毫秒級(jí)。當(dāng)光量子比特的存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到1.021毫秒時(shí)，其存儲(chǔ)效率達(dá)到12.0±0.5%。這一效率遠(yuǎn)超對(duì)應(yīng)延時(shí)的光纖延遲線的傳輸效率，證明了可集成量子存儲(chǔ)器件在功能上已不可能被光纖延遲線替代。

該工作將可集成量子存儲(chǔ)器的壽命從10微秒級(jí)提升至毫秒級(jí)，首次實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)效率超越光纖延遲線的突破，為可集成量子存儲(chǔ)在長(zhǎng)程量子網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，這一成果展現(xiàn)了NLPE方案在解決長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)信噪比問題方面的潛力。

3月26日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，并獲得審稿人的高度評(píng)價(jià)。研究工作得到科技創(chuàng)新-2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院和安徽省相關(guān)項(xiàng)目的支持。

論文鏈接

長(zhǎng)壽命可集成量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)示意圖，插圖顯示存儲(chǔ)器入射端面的細(xì)節(jié)。

可集成量子存儲(chǔ)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，紅色五角星是本成果的表現(xiàn)。