电子科大与合作团队实现宽带多模量子存储器
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、集成光路和单光子探测器相连接，将为集成多功能量子器件的研制开辟道路。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者之一。目前，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，光量子存储器已经在不同的系统中得到了证实。
对于实用的集成量子存储器，一种有效的方法是开发尾纤封装的光量子存储芯片，方便直接与当前的光纤系统兼容，从而促进集成器件在量子网络中的应用。
迄今为止，这种在通信波段具有多模容量的量子存储芯片尚未得到证实，特别是非经典光的宽带存储——这是实现与现有通信基础设施兼容的、大规模高速率量子网络的关键一步。
“Telecom-band–integratedmultimode photonic quantum memory”
在近日发表在ScienceAdvances的一篇文章中，电子科技大学郭光灿院士周强研究组、山东大学物理学院陈峰研究组和中国科学院微系统所尤立星研究组合作展示了在Er3+:LiNbO3波导中的通信波段集成宽带多模量子存储。
具体来说，研究人员在FLM制造的激光直写波导两端进行单模尾纤封装，保证了与光纤通信系统的兼容性，进而基于原子频率梳（AFC）协议验证了片上光量子存储。通过制备4GHz宽的AFC，合作团队在实验中实现了1532nm波段330个预报单光子时域模式的多模量子存储——与单模相比，存储吞吐量提高了160倍以上。
Er3+:LiNbO3波导的制备和标定
实验装置
光量子存储的性能标定
这一量子存储芯片为进一步发展与光纤通信基础设施兼容、基于量子存储中继的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进一步提升。
在论文中，研究团队表示：“我们演示的存储时间受到AFC制备装置的限制。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(multipletemporal mode operation)、还可以利用光频率梳在Er3+:LiNbO3波导的宽带非均匀展宽中制备更多频道。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设施兼容的光纤集成器件的可靠性、大容量多路复用存储和激光直写器件的潜力。
“下一步的研究将包括存储量子比特、创建远距离存储芯片之间的纠缠、实现前馈控制和按需读出(on-demandrecall)。”
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