中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在固態(tài)量子存儲(chǔ)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于自主加工的激光直寫(xiě)波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了光子偏振態(tài)的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)，存儲(chǔ)保真度高達(dá)99.4±0.6%，該工作顯著推進(jìn)了可集成量子存儲(chǔ)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(guó)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(qiáng)的特點(diǎn)，在量子信息任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的可集成量子存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器。然而，已有的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器均無(wú)法實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)，這是由于稀土摻雜晶體的光吸收一般是依賴(lài)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(shí)現(xiàn)可移動(dòng)量子優(yōu)盤(pán)的重要候選材料，李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于該材料已實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)的相干光存儲(chǔ)[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(lèi)釔替位的Eu3+（以下簡(jiǎn)稱(chēng)替位二銪離子，site-2Eu3+）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)定替位二銪離子的準(zhǔn)確能級(jí)結(jié)構(gòu)，再結(jié)合研究組原創(chuàng)的“無(wú)噪聲光子回波（NLPE）”量子存儲(chǔ)方案[Nature Communications 12, 4378 (2021)]克服替位二銪離子的弱吸收問(wèn)題，最終基于單次通過(guò)的單塊晶體即實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)。該工作提出并證實(shí)了替位二銪離子可實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)，近日發(fā)表在《Science Bulletin》上。

研究組進(jìn)一步利用飛秒激光直寫(xiě)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(duì)稱(chēng)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(dá)2.6倍，再結(jié)合電場(chǎng)調(diào)制的原子頻率梳量子存儲(chǔ)方案，成功地基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)。量子存儲(chǔ)保真度達(dá)99.4±0.6%，驗(yàn)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(chǔ)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(shí)偏振自由度為可集成器件的噪聲抑制提供了一個(gè)有效的濾波自由度，對(duì)于可集成量子存儲(chǔ)的實(shí)用化具有重要的意義。

a.實(shí)驗(yàn)裝置圖；b.硅酸釔晶體中替位二銪離子的能級(jí)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(xiàn)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(píng)價(jià)：“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(bào)道了重要的成果，因?yàn)樗�首次展示了硅酸釔晶體中激光直寫(xiě)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(tái)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(shí)驗(yàn)顯然處于最先進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生靳明和朱天翔。樣品電極加工得到中國(guó)科大微納加工中心葉陽(yáng)老師和李文娟老師的支持。該工作得到了科技部、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)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(jìn)會(huì)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