近日，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。

前述團隊李傳鋒、周宗權研究組基于自主加工的激光直寫波導，實現了光子偏振態的可集成固態量子存儲，存儲保真度高達99.4±0.6%，顯著推進可集成量子存儲器在量子網絡中的應用。相關成果發表在《科學通報》(Science Bulletin)和《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

a為實驗裝置圖；b為硅酸釔晶體中替位二銪離子的能級結構圖；c為晶體俯視圖，兩側金屬為集成的共面電極；d為晶體側視圖，虛線框內是光波導；e為波導傳輸模式的橫截面，圖片來自論文

光子的偏振態具有操作精度高和抗干擾能力強的特點，在量子信息工作中具有廣泛應用。實現偏振態的可集成量子存儲，是構建大尺度可集成量子網絡的基本需求。

稀土摻雜晶體作為一種性能優異的固態量子存儲介質，能夠結合多種微納工藝，制備出可集成的量子存儲器。然而，已有的可集成固態量子存儲器均無法實現偏振態的量子存儲，這是由于稀土摻雜晶體的光吸收一般依賴于偏振態，并且其微納波導結構也不支持任意偏振態的傳輸。

摻銪硅酸釔晶體是實現可移動量子優盤的重要候選材料，李傳鋒、周宗權研究組基于該材料在2021年已實現長達1小時的相干光存儲。近期工作中，團隊注意到摻銪硅酸釔晶體中占據第二類釔替位的Eu^(3+)（下稱替位二銪離子）可以實現對任意偏振態的均勻吸收。

此次，團隊首先采用光譜燒孔技術測定替位二銪離子的準確能級結構，再結合研究組原創的“無噪聲光子回波(NLPE)”量子存儲方案，以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，實現了偏振態的量子存儲。該研究提出并證實了替位二銪離子可實現偏振態的量子存儲，并發表在《科學通報》(Science Bulletin)。

圖片來自《科學通報》(Science Bulletin)

團隊進一步利用飛秒激光直寫技術，在摻銪硅酸釔晶體中加工出凹陷包層波導。這種波導具有圓對稱的結構，可以支持任意偏振態的低損耗傳輸。他們采用光譜燒孔技術提升替位二銪離子的吸收深度達2.6倍，再結合電場調制的原子頻率梳量子存儲方案，成功基于波導結構實現了偏振態的量子存儲。其量子存儲保真度達99.4±0.6%，驗證了這一可集成器件的高可靠性，該成果5月2日發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

前述研究將光子的偏振自由度應用到可集成量子存儲領域，為基于偏振編碼構建量子網絡奠定了基礎。同時，偏振自由度為可集成器件的噪聲抑制提供了一個有效的濾波自由度，對于可集成量子存儲的實用化具有重要意義。

“論文報道了重要的成果，因為它首次展示了硅酸釔晶體中激光直寫波導與偏振編碼的兼容性，拓展了這一新型集成工藝平臺的技術適用性?！睂徃迦藢Υ嗽u價，“這一實驗顯然處于最先進的技術水平，具有最高的復雜性和技術性?！?/p>

兩篇論文的第一作者分別為中科院量子信息重點實驗室博士研究生靳明和朱天翔。樣品電極加工得到中國科大微納加工中心葉陽和李文娟支持。前述研究獲得科技部、合肥國家實驗室、國家自然科學基金委以及安徽省資助。中科大周宗權獲得中科院青年創新促進會資助。