中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于自主加工的激光直寫波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了光子偏振態(tài)的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)，存儲(chǔ)保真度高達(dá)99.4±0.6%。該工作顯著推進(jìn)了可集成量子存儲(chǔ)器在量子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。相關(guān)成果日前發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

光子的偏振態(tài)具有操作精度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在量子信息任務(wù)中有廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的可集成量子存儲(chǔ)是構(gòu)建大尺度可集成量子網(wǎng)絡(luò)的基本需求。

稀土摻雜晶體作為一種性能優(yōu)異的固態(tài)量子存儲(chǔ)介質(zhì)，能夠結(jié)合多種微納工藝制備出可集成的量子存儲(chǔ)器。然而，已有的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器均無法實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)，這是由于稀土摻雜晶體的光吸收一般依賴于偏振態(tài)，并且其微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也不支持任意偏振態(tài)的傳輸。

摻銪硅酸釔晶體是實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)量子優(yōu)盤的重要候選材料。前期研究中，李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于該材料已實(shí)現(xiàn)長達(dá)1小時(shí)的相干光存儲(chǔ)。在近期工作中，研究組注意到摻銪硅酸釔晶體中占據(jù)第二類釔替位的Eu3+（以下簡稱替位二銪離子）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意偏振態(tài)的均勻吸收。

研究組首先采用光譜燒孔技術(shù)測定替位二銪離子的準(zhǔn)確能級(jí)結(jié)構(gòu)，再結(jié)合研究組原創(chuàng)的“無噪聲光子回波”量子存儲(chǔ)方案克服替位二銪離子的弱吸收問題，最終基于單次通過的單塊晶體實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)。該工作提出并證實(shí)了替位二銪離子可實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)。

研究組進(jìn)一步利用飛秒激光直寫技術(shù)在摻銪硅酸釔晶體中加工出凹陷包層波導(dǎo)。這種波導(dǎo)具有圓對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，可以支持任意偏振態(tài)的低損耗傳輸。研究組采用光譜燒孔技術(shù)將替位二銪離子的吸收深度提升至2.6倍，再結(jié)合電場調(diào)制的原子頻率梳量子存儲(chǔ)方案，成功基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)的量子存儲(chǔ)。量子存儲(chǔ)保真度達(dá)99.4±0.6%，驗(yàn)證了這一可集成器件的高可靠性。

這一工作把光子的偏振自由度應(yīng)用到可集成量子存儲(chǔ)領(lǐng)域，為基于偏振編碼構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)偏振自由度為可集成器件的噪聲抑制提供了一個(gè)有效的濾波自由度，對(duì)于可集成量子存儲(chǔ)的實(shí)用化具有重要意義。（見習(xí)記者 王敏）