來源：中國科學技術大學物理學院

中國科學技術大學物理學院郭光燦院士團隊在可集成量子存儲領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權研究組基于團隊原創的無噪聲光子回波（NLPE）方案，將可集成量子存儲器的存儲時間從10微秒級提升至毫秒級，同時成功突破了傳統光纖延遲線的效率。該成果3月26日發表在國際知名學術期刊《科學·進展》上。

光量子存儲器作為克服信道損耗、構建大尺度量子網絡的核心器件，其規模化應用需實現器件的集成化，從而達到小尺寸、低功耗的目標。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，現有裝置僅能實現在原子激發態的存儲，存儲時間僅達10微秒級，存儲效率遠低于光纖延遲線的傳輸效率，從根本上限制了其在遠程量子通信中的實際應用。

圖1 長壽命可集成量子存儲實驗示意圖，插圖顯示存儲器入射端面的細節

為解決這一難題，李傳鋒、周宗權研究組利用飛秒激光微加工技術，在摻銪硅酸釔晶體中制備了圓對稱的凹陷包層光波導，實現了基于偏振自由度的噪聲濾除，并結合團隊原創的NLPE量子存儲方案大幅提升了存儲效率，從而實現了在原子基態的自旋波可集成量子存儲。

圖2 可集成量子存儲器的效率及壽命表現，光纖延遲線的表現由藍色虛線表示，紅色五角星是本項成果的表現

近期，團隊在晶體上表面集成了共面電波導，通過施加射頻磁場實現對光波導內銪離子核自旋躍遷的動力學解耦控制，從而將自旋波量子存儲壽命延長至毫秒級。當光量子比特的存儲時間達1.021毫秒時，其存儲效率達到12.0±0.5%，這一效率遠超對應延時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，首次實現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絡中的實際應用奠定了堅實基礎。同時，該成果展現了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：“This is a very important achievement in the field of integrated quantum memories”（這是在可集成量子存儲領域非常重要的進步），“this work makes a significant contribution to the development of integrated and long-duration quantum memories”（這項工作對可集成和長壽命量子存儲器的發展做出了重要貢獻）”。

論文第一作者為中國科學院量子信息重點實驗室的博士生劉宇平。該工作得到了科技創新2030重大項目、國家自然科學基金委、安徽省以及中國科學院的資助。周宗權得到中國科學院青年創新促進會優秀會員的資助。

文章鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu5264