中科大实现光子偏振态的可集成固态量子存储

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在固态量子存储领域取得重要进展。

前述团队李传锋、周宗权研究组基于自主加工的激光直写波导，实现了光子偏振态的可集成固态量子存储，存储保真度高达99.4±0.6%，显著推进可集成量子存储器在量子网络中的应用。相关成果发表在《科学通报》(Science Bulletin)和《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

a为实验装置图；b为硅酸钇晶体中替位二铕离子的能级结构图；c为晶体俯视图，两侧金属为集成的共面电极；d为晶体侧视图，虚线框内是光波导；e为波导传输模式的横截面，图片来自论文

光子的偏振态具有操作精度高和抗干扰能力强的特点，在量子信息工作中具有广泛应用。实现偏振态的可集成量子存储，是构建大尺度可集成量子网络的基本需求。

稀土掺杂晶体作为一种性能优异的固态量子存储介质，能够结合多种微纳工艺，制备出可集成的量子存储器。然而，已有的可集成固态量子存储器均无法实现偏振态的量子存储，这是由于稀土掺杂晶体的光吸收一般依赖于偏振态，并且其微纳波导结构也不支持任意偏振态的传输。

掺铕硅酸钇晶体是实现可移动量子优盘的重要候选材料，李传锋、周宗权研究组基于该材料在2021年已实现长达1小时的相干光存储。近期工作中，团队注意到掺铕硅酸钇晶体中占据第二类钇替位的Eu^(3+)（下称替位二铕离子）可以实现对任意偏振态的均匀吸收。

此次，团队首先采用光谱烧孔技术测定替位二铕离子的准确能级结构，再结合研究组原创的“无噪声光子回波(NLPE)”量子存储方案，以克服替位二铕离子的弱吸收问题，最终基于单次通过的单块晶体，实现了偏振态的量子存储。该研究提出并证实了替位二铕离子可实现偏振态的量子存储，并发表在《科学通报》(Science Bulletin)。

图片来自《科学通报》(Science Bulletin)

团队进一步利用飞秒激光直写技术，在掺铕硅酸钇晶体中加工出凹陷包层波导。这种波导具有圆对称的结构，可以支持任意偏振态的低损耗传输。他们采用光谱烧孔技术提升替位二铕离子的吸收深度达2.6倍，再结合电场调制的原子频率梳量子存储方案，成功基于波导结构实现了偏振态的量子存储。其量子存储保真度达99.4±0.6%，验证了这一可集成器件的高可靠性，该成果5月2日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

图片来自《物理评论快报》(Physical Review Letters)

前述研究将光子的偏振自由度应用到可集成量子存储领域，为基于偏振编码构建量子网络奠定了基础。同时，偏振自由度为可集成器件的噪声抑制提供了一个有效的滤波自由度，对于可集成量子存储的实用化具有重要意义。

“论文报道了重要的成果，因为它首次展示了硅酸钇晶体中激光直写波导与偏振编码的兼容性，拓展了这一新型集成工艺平台的技术适用性。”审稿人对此评价，“这一实验显然处于最先进的技术水平，具有最高的复杂性和技术性。”

两篇论文的第一作者分别为中科院量子信息重点实验室博士研究生靳明和朱天翔。样品电极加工得到中国科大微纳加工中心叶阳和李文娟支持。前述研究获得科技部、合肥国家实验室、国家自然科学基金委以及安徽省资助。中科大周宗权获得中科院青年创新促进会资助。