电子科大团队实现高效光量子存储器

光子盒研究院

光量子存储器可以将光的量子态可逆地映射到物质上，是基于量子中继器的远距离量子通信和分布式量子网络不可或缺的组成部分。

基于光波导的光量子存储器件与其他集成量子器件，如量子光源、光子电路和单光子探测器相连接，将为集成多功能量子架构开辟道路。稀土离子掺杂光波导因其紧凑性、可扩展性和增强的光物质相互作用而成为开发片上量子存储器件的最佳候选材料。

人们已经投入大量精力通过各种方法制造片上存储器件，在这些方法的基础上，光子学量子存储器已经在不同的系统中得到了证实。

为了实现大容量量子中继器，具有宽带和多模特性的片上量子存储器已被证实。对于实用的集成量子存储器，一种有效的方法是开发光纤集成量子存储芯片，它可以直接与当前的光纤系统互连，从而促进集成器件在量子网络中的应用。迄今为止，这种在电信波段具有多模容量的光纤集成量子存储芯片尚未得到证实，特别是非经典光的宽带存储——这是实现与现有电信基础设施兼容的、大规模高速率量子网络的关键一步。

“Telecom-band–integrated multimode photonic quantum memory”

在近日发表在Science Advances的一篇文章中，电子科技大学周强团队展示了在Er3+ :LiNbO3波导中的电信波段集成多模存储。

具体来说，通过FLM制造的激光写入波导两端通过光准直器直接耦合到单模光纤尾纤，保证了与光纤通信系统的兼容性。基于原子频率梳（AFC）协议的光纤尾纤波导演示了片上量子存储器系统。

通过4GHz宽的AFC，团队在实验中实现了1532nm波段330个预示单光子时序模式的多模量子存储——与单模相比，重合检测率提高了167倍。

Er3+:LiNbO3波导的制备和校准。

实验装置

量子存储器的特征

这一量子存储芯片为与光纤通信基础设施兼容的、基于存储器的集成量子网络铺平了道路。

尽管取得了这些重要成果，但要实现量子网络的功能器件还需要一些升级。论文中，实验团队表示：“我们演示的存储时间受到AFC制备设置的限制。例如，我们的AFC泵浦激光器的线宽约为100 kHz、频率漂移为MHz级，这使得制备AFC的最小齿距为几MHz，导致最大存储时间为几百纳秒。因此，需要更新激光系统，使用超稳定激光系统制备AFC。”

“从材料方面来看，有必要延长波导中Er3+离子的光学相干时间，这可以通过优化Er3+离子的掺杂浓度来实现。”

最后，为了实现更大容量的存储器，一个很有前景的途径是结合多个自由度。除了多时间模式操作(multiple temporal mode operation)、还可以利用光频率梳在Er3+:LiNbO3波导的大不均匀展宽中制备更多光谱通道。此外，通过在晶体中制造多个波导，还可以在片上量子存储器中利用更多的空间通道(spatial channels)。

总之，上述方法结合了与光纤通信基础设施兼容的光纤集成器件的可靠性、宽带多路复用存储特性和激光写入元件的前景。

“下一步，可能是存储量子比特、创建远程存储芯片之间的纠缠、实现前馈控制和按需调用(on-demand recall)。”