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中科大郭光燦院士團隊首次實現按需式讀取的可集成固態量子存儲器

2021-01-01 11:06:04 中科大

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中科大郭光燦院士團隊在量子存儲領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權研究組首次實現了按需式讀取的可集成固態量子存儲器。該成果12月28日發表在國際知名期刊《物理評論快報》上。量子存儲器是構建大尺度量子網絡的核心器件。

基于量子存儲器的量子中繼或量子U盤可以有效地克服信道損耗，拓展量子網絡的工作距離。李傳鋒、周宗權研究組長期致力于基于稀土摻雜晶體的固態量子存儲器的實驗研究。為了提升量子存儲器的存儲容量，滿足規模化應用的需求，研究組近年來發展了激光直寫技術，在稀土摻雜晶體上制備可集成量子存儲器。

所謂按需式讀取是指光子寫入存儲器以后再根據需求決定讀出的時間，它對實現量子網絡中的同步操作等功能至關重要。然而目前國際上已有的可集成固態量子存儲器都是基于簡單的原子頻率梳方案，其讀出時間是在光子寫入之前預先設定的，無法按需讀取。為了實現按需式讀取，研究組采用了一種改進的量子存儲方案，即電場調制的原子頻率梳方案。它通過引入兩個電脈沖，利用斯塔克效應實時操控稀土離子的演化從而控制存儲器的讀出時間。

研究組首先使用飛秒激光在摻銪硅酸釔晶體表面制備出面上光波導，然后在面上光波導的兩側加工兩個面上電極，從而能以TTL兼容的5V電壓實時操控存儲過程，實現按需式讀取。實驗中光波導的插入損耗達到1 dB以下，這是目前可集成固態量子存儲器的最優水平。最終，基于該自制器件研究組在國際上首次實現了按需式讀取的可集成固態量子存儲器，存儲保真度達到99.3%±0.2%。該結果接近研究組2012年在塊狀晶體中創下的量子存儲保真度的最高紀錄（99.9%，PRL108, 190505），表明這種可集成量子存儲器具有極高的可靠性。

實驗光路圖和顯微鏡下集成量子存儲器照片（右側插圖）

該成果對大容量量子存儲和構建量子網絡均有重要意義。審稿人對該工作給予了高度評價：“The present experiment is a remarkable achievement as, in previous experiments with rare earth doped crystals with integrated design, only predetermined or delayed retrieval had been shown. (這個實驗很重要，因為之前可集成固態量子存儲的實驗都局限于演示提前確定的讀取時間。) ” ; “The work demonstrates a significant advancement in the field and is of broad interest to the scientific community.（這項工作是量子存儲領域的一個重要進展，并將引起科學界的廣泛興趣。）”。

文章的共同第一作者是中科院量子信息重點實驗室的研究生劉超和朱天翔。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省以及中國科學院青年創新促進會的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.260504

關鍵詞：郭光燦量子存儲器