近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)傳來(lái)振奮人心的消息，該校郭光燦院士所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在量子存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域取得了關(guān)鍵性突破。這一突破聚焦于可集成量子存儲(chǔ)器的性能提升，為量子通信的未來(lái)鋪平了道路。

據(jù)悉，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的李傳鋒與周宗權(quán)兩位研究員，基于團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)的無(wú)噪聲光子回波（NLPE）技術(shù)，成功將可集成量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)時(shí)間從以往的10微秒級(jí)顯著延長(zhǎng)至毫秒級(jí)。這一成果不僅打破了傳統(tǒng)光纖延遲線的效率限制，還于3月26日在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)?進(jìn)展》上發(fā)表。

在量子通信網(wǎng)絡(luò)中，光量子存儲(chǔ)器扮演著至關(guān)重要的角色，它是克服信道損耗、構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的核心組件。然而，要實(shí)現(xiàn)其規(guī)模化應(yīng)用，必須實(shí)現(xiàn)器件的集成化，以滿足小尺寸和低功耗的需求。自2011年起，國(guó)際學(xué)術(shù)界已嘗試多種工藝在稀土摻雜晶體中制備可集成量子存儲(chǔ)器，但受限于集成器件中的噪聲難以濾除以及存儲(chǔ)效率不高，這些裝置的存儲(chǔ)時(shí)間僅能達(dá)到10微秒級(jí)，且存儲(chǔ)效率遠(yuǎn)低于光纖延遲線。

為了攻克這一技術(shù)難題，李傳鋒和周宗權(quán)的研究組利用飛秒激光微加工技術(shù)，在摻銪硅酸釔晶體中精心制備了圓對(duì)稱的凹陷包層光波導(dǎo)。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于偏振自由度的噪聲濾除，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的NLPE量子存儲(chǔ)方案，顯著提升了存儲(chǔ)效率。更重要的是，他們?cè)诰w上表面集成了共面電波導(dǎo)，通過(guò)施加射頻磁場(chǎng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)光波導(dǎo)內(nèi)銪離子核自旋躍遷的動(dòng)力學(xué)解耦控制，從而將自旋波量子存儲(chǔ)的壽命延長(zhǎng)至毫秒級(jí)。

當(dāng)光量子比特的存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到1.021毫秒時(shí)，其存儲(chǔ)效率高達(dá)12.0±0.5%，這一效率遠(yuǎn)超對(duì)應(yīng)延時(shí)的光纖延遲線的傳輸效率（僅為0.01%）。這一成果不僅證明了可集成量子存儲(chǔ)器件在功能上已遠(yuǎn)超光纖延遲線，更為其在長(zhǎng)程量子網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

此次突破不僅將可集成量子存儲(chǔ)器的壽命從10微秒級(jí)提升至毫秒級(jí)，還首次實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)效率超越光纖延遲線的壯舉。這一成就展現(xiàn)了NLPE方案在解決長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)信噪比問(wèn)題上的巨大潛力，得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這是在可集成量子存儲(chǔ)領(lǐng)域非常重要的進(jìn)步”，“這項(xiàng)工作對(duì)可集成和長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)器的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)”。

此次研究的第一作者是中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生劉宇平，該研究得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國(guó)科學(xué)院的資助。周宗權(quán)研究員還獲得了中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員的資助。