近日，中国科学技术大学与山西大学分别在量子存储领域取得重要进展。
中科大郭光灿院士团队李传锋、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%，该工作显著推进了可集成量子存储器在量子网络中的应用。相关成果近日发表在国际知名学术期刊《科学通报》(Science Bulletin)和《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。
山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室由彭堃墀院士领导的量子光学基础和应用研究室，贾晓军教授课题组利用腔增强方法在热原子气室中实现了高效率和低噪声的量子存储。研究成果发表于《自然通信》(Nature Communications)。
光子的偏振态具有操作精度高和抗干扰能力强的特点，在量子信息任务中具有广泛的应用。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是依赖于偏振态的，并且其微纳波导结构也不支持任意偏振态的传输。
Eu3+:YSO（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已实现长达1小时的相干光存储[Nature Communications 12, 2381 (2021)]。在近期工作中研究组注意到掺铕硅酸钇晶体中占据第二类钇替位的Eu3+（以下简称替位二铕离子，site-2Eu3+）可以实现对任意偏振态的均匀吸收。研究组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[Nature Communications 12, 4378 (2021)]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即实现了偏振态的量子存储。该工作提出并证实了替位二铕离子可实现偏振态的量子存储，近日发表在《Science Bulletin》上。
研究组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。研究组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，成功地基于波导结构实现了偏振态的量子存储。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。该工作5月2日发表在《Physical Review Letters》上。
这一工作把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的意义。
两篇论文的第一作者分别是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老师和李文娟老师的支持。该工作得到了科技部、合肥国家实验室、国家自然科学基金委以及安徽省的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。
近日，山西大学科学家利用腔增强方法，在热原子气室中实现了高效率和低噪声的量子存储。
高效率高保真度量子存储是实现量子网络的重要基础，可以应用于分布式量子计算和量子磁力计等量子信息与量子测量系统。
虽然量子存储的研究已经取得很大进展，但目前完成的量子存储方案，难以在实现高存储效率同时，获得低背景噪声。然而，为了实现高质量的量子存储，需要高效率和低噪声兼容。特别是为了存储量子水平的微弱信号，背景噪声必须达到光场噪声的标准量子极限。
由于信号模式和光学谐振腔共振，存储作用可以被有效增强。同时，在其他系统中难以消除的四波混频等噪声被谐振腔抑制。前述实验第一次将时间反演对称方法应用于模式匹配，获得接近完美的模匹配效果，直接测量的存储效率达到67%，背景噪声接近量子噪声极限。实验表明，对于不同强度与位相的输入光学信号，其存储保真度均超越了经典边界，突破了经典光学存储极限。
前述实验系统紧凑简单，适用于非经典光场的存储，为开发高性能量子存储提供了技术支撑，对构建实用化连续变量量子信息网络具有参考价值。此研究获得国家自然科学基金国家杰出青年基金、优秀青年基金、重点项目、面上项目以及科技部重点研发计划等项目支持。
[1].http://news.ustc.edu.cn/info/1048/79099.htm
[2].https://cj.sina.com.cn/articles/view/5044281310/12ca99fde02001tcsl
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