中国科大首次实现按需式读取的可集成固态量子存储器

2020年12月31日

中国科大首次实现按需式读取的可集成固态量子存储器

我校郭光灿院士团队在量子存储领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权研究组首次实现了按需式读取的可集成固态量子存储器。该成果12月28日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

量子存储器是构建大尺度量子网络的核心器件。基于量子存储器的量子中继或量子U盘可以有效地克服信道损耗，拓展量子网络的工作距离。李传锋、周宗权研究组长期致力于基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器的实验研究。为了提升量子存储器的存储容量，满足规模化应用的需求，研究组近年来发展了激光直写技术，在稀土掺杂晶体上制备可集成量子存储器。

所谓按需式读取是指光子写入存储器以后再根据需求决定读出的时间，它对实现量子网络中的同步操作等功能至关重要。然而目前国际上已有的可集成固态量子存储器都是基于简单的原子频率梳方案，其读出时间是在光子写入之前预先设定的，无法按需读取。为了实现按需式读取，研究组采用了一种改进的量子存储方案，即电场调制的原子频率梳方案。它通过引入两个电脉冲，利用斯塔克效应实时操控稀土离子的演化从而控制存储器的读出时间。

研究组首先使用飞秒激光在掺铕硅酸钇晶体表面制备出面上光波导，然后在面上光波导的两侧加工两个面上电极，从而能以TTL兼容的5V电压实时操控存储过程，实现按需式读取。实验中光波导的插入损耗达到1 dB以下，这是目前可集成固态量子存储器的最优水平。最终，基于该自制器件研究组在国际上首次实现了按需式读取的可集成固态量子存储器，存储保真度达到99.3%±0.2%。该结果接近研究组2012年在块状晶体中创下的量子存储保真度的最高纪录（99.9%，PRL108, 190505），表明这种可集成量子存储器具有极高的可靠性。

实验光路图和显微镜下集成量子存储器照片（右侧插图）

该成果对大容量量子存储和构建量子网络均有重要意义。审稿人对该工作给予了高度评价：“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. (这个实验很重要，因为之前可集成固态量子存储的实验都局限于演示提前确定的读取时间。) ” ; “The work demonstrates a significant advancement in the field and is of broad interest to the scientific community.（这项工作是量子存储领域的一个重要进展，并将引起科学界的广泛兴趣。）”。

文章的共同第一作者是中科院量子信息重点实验室的研究生刘超和朱天翔。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院青年创新促进会的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.260504

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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