中國科學技術大學郭光燦院士團隊在固態量子存儲領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權研究組基于摻鉺波導實現了通訊波段光子的按需式量子存儲，向構建大尺度光纖量子網絡邁出重要一步。該成果于11月15日發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上。

量子存儲器是量子網絡的核心器件，通過按需式讀取糾纏光子，可以把遠距離光纖傳輸中的指數級損耗下降為多項式級損耗。為利用現有的光纖網絡構建量子網絡，量子存儲器應工作在通訊波段。稀土鉺離子具有獨特的通訊波段光躍遷，是實現通訊波段量子存儲器的重要候選材料。然而，已有的通訊波段量子存儲器的讀出時間在光子寫入前就已預先設定，無法實現按需式讀取。

李傳鋒、周宗權研究組在摻鉺硅酸釔(¹⁶⁷Er³+:Y₂SiO₅)晶體上利用激光直寫技術自主加工了光波導，并在波導兩端直接粘貼集成了普通的單模光纖。為了實現按需式讀取，研究組進一步利用電子蒸鍍技術在波導兩側加工了片上電極，從而利用電場誘導的斯塔克效應來實時調控波導內鉺離子的相干演化。通過極化鉺離子的電子自旋，并初始化其核自旋狀態，光子的存儲效率被提升至10.9%，這一效率相比此前報道的可集成通訊波段量子存儲獲得了5倍的增強。電場調控的按需式量子存儲保真度達到98.3%，遠超考慮了存儲效率和光子統計的經典極限。

該成果基于鉺離子實現了通信波段的按需式量子存儲，并且這一光纖集成器件可以直接對接現有的光纖網絡。在經典通信領域，摻鉺光纖放大器的發明使得長距離光纖通信成為現實，類似地，基于鉺離子的量子存儲也可用于克服長程量子通信中的指數級損耗，使得鉺離子有望再在量子網絡的建設中扮演重要角色。

該工作得到審稿人的高度評價：“By transitioning from europium to erbium the memory can be operated directly at the telecommunication wavelength and as such could integrate their devices with existing fiber optic technologies（通過采用鉺離子摻雜，這一存儲器可以直接工作在通訊波段，并且實現與現有光纖器件的集成）”。“the results show important improvements with respect to previous demonstrations, especially regarding the stable fiber gluing to the waveguide in a cryogenic environment（這一工作相比前人工作取得了重要的進展，尤其是把光纖直接粘貼到光波導上，支持低溫環境下的穩定運行）”。

論文的共同第一作者是中科院量子信息重點實驗室博士研究生劉端程和博士后李佩耘。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委及安徽省的資助。周宗權得到中科院青年創新促進會的資助。

圖1：光纖直連的通訊波段量子存儲器。(a).光纖陣列與摻鉺波導連接的局部細節圖; (b).波導橫截面的放大細節圖。

圖2：存儲保真度。實線是考慮了存儲效率和光子統計的經典極限。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.210501