中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在固態(tài)量子存儲領(lǐng)域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于自主加工的激光直寫波導(dǎo)，實現(xiàn)了光子偏振態(tài)的可集成固態(tài)量子存儲，存儲保真度高達99.4±0.6%，該工作顯著推進了可集成量子存儲器在量子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。相關(guān)成果近日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Science Bulletin》和《Physical Review Letters》上。

光子的偏振態(tài)具有操作精度高和抗干擾能力強的特點，在量子信息任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用。實現(xiàn)偏振態(tài)的可集成量子存儲是構(gòu)建大尺度可集成量子網(wǎng)絡(luò)的基本需求。稀土摻雜晶體作為一種性能優(yōu)異的固態(tài)量子存儲介質(zhì)，能夠結(jié)合多種微納工藝制備出可集成的量子存儲器。然而，已有的可集成固態(tài)量子存儲器均無法實現(xiàn)偏振態(tài)的量子存儲，這是由于稀土摻雜晶體的光吸收一般是依賴于偏振態(tài)的，并且其微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也不支持任意偏振態(tài)的傳輸。

Eu3+:YSO（摻銪硅酸釔晶體）是實現(xiàn)可移動量子優(yōu)盤的重要候選材料，李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于該材料已實現(xiàn)長達1小時的相干光存儲[Nature Communications 12, 2381 (2021)]。在近期工作中研究組注意到摻銪硅酸釔晶體中占據(jù)第二類釔替位的Eu3+（以下簡稱替位二銪離子，site-2Eu3+）可以實現(xiàn)對任意偏振態(tài)的均勻吸收。研究組首先采用光譜燒孔技術(shù)測定替位二銪離子的準確能級結(jié)構(gòu)，再結(jié)合研究組原創(chuàng)的“無噪聲光子回波（NLPE）”量子存儲方案[Nature Communications 12, 4378 (2021)]克服替位二銪離子的弱吸收問題，最終基于單次通過的單塊晶體即實現(xiàn)了偏振態(tài)的量子存儲。該工作提出并證實了替位二銪離子可實現(xiàn)偏振態(tài)的量子存儲，近日發(fā)表在《Science Bulletin》上。

研究組進一步利用飛秒激光直寫技術(shù)在摻銪硅酸釔晶體中加工出凹陷包層波導(dǎo)。這種波導(dǎo)具有圓對稱的結(jié)構(gòu)，可以支持任意偏振態(tài)的低損耗傳輸。研究組采用光譜燒孔技術(shù)提升替位二銪離子的吸收深度達2.6倍，再結(jié)合電場調(diào)制的原子頻率梳量子存儲方案，成功地基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了偏振態(tài)的量子存儲。量子存儲保真度達99.4±0.6%，驗證了這一可集成器件的高可靠性。該工作5月2日發(fā)表在《Physical Review Letters》上。

這一工作把光子的偏振自由度應(yīng)用到可集成量子存儲領(lǐng)域，為基于偏振編碼構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。同時偏振自由度為可集成器件的噪聲抑制提供了一個有效的濾波自由度，對于可集成量子存儲的實用化具有重要的意義。

a.實驗裝置圖；b.硅酸釔晶體中替位二銪離子的能級結(jié)構(gòu)圖； c.晶體俯視圖，兩側(cè)金屬為集成的共面電極；d.晶體側(cè)視圖，虛線框內(nèi)是光波導(dǎo)；e.波導(dǎo)傳輸模式的橫截面。

該工作得到審稿人的高度評價：“I think that the paper shows important results, as it demonstrates for the first time the compatibility of laser-written waveguides inYSO with polarization encoding, and it broads the technological applicability of this relatively new integrated platform.（論文報道了重要的成果，因為它首次展示了硅酸釔晶體中激光直寫波導(dǎo)與偏振編碼的兼容性，拓展了這一新型集成工藝平臺的技術(shù)適用性）” ；“The realization is clearly at the state of the art with the highest level of complexity and technicality.（這一實驗顯然處于最先進的技術(shù)水平，具有最高的復(fù)雜性和技術(shù)性）”。

兩篇論文的第一作者分別是中科院量子信息重點實驗室博士研究生靳明和朱天翔。樣品電極加工得到中國科大微納加工中心葉陽老師和李文娟老師的支持。該工作得到了科技部、合肥國家實驗室、國家自然科學(xué)基金委以及安徽省的資助。周宗權(quán)得到中科院青年創(chuàng)新促進會的資助。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927322000330?via%3Dihub

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.180501