实验装置。来源： ，doi：10.1126/。
依赖于量子频带集成的量子存储器是开发与光纤通信基础设施兼容的量子网络的关键组件。量子工程师和信息技术专家尚未创建出能够在电信频段形成集成多模光子量子存储器的高容量网络。
在《科学进展》杂志的一篇新报告中，张和电子科学、物理学和信息技术研究人员团队描述了在激光写入芯片上光纤集成多模存储电信波段单光子。
该存储设备采用光纤尾纤掺杂铒 (Er3+) 的铌酸锂 (Er3+:) 制成，可提供可与电信波段光纤片上组件集成的存储系统。这项研究的结果为基于集成光子学设备的未来量子网络的形成指明了方向。
光子量子存储器
光的量子态可以可逆地映射到物质上，以创建光子量子存储器，这对于跨分布式量子网络的长距离量子通信来说是理想的。
物理学家将基于光波导的光子量子存储器件与其他集成量子器件（如量子光源、光子电路和单光子探测器）集成在一起，设计出互连的多功能量子架构。在这项工作中，张等人开发了一种基于铌酸锂波导的电信波段集成多模存储器件。
他们设计的激光写入波导利用飞秒激光微加工技术直接耦合到单模光纤尾纤上，并在设备两侧使用光学准直器，以便于与光纤通信系统的兼容。
该团队利用原子频率梳协议开发了一种片上量子存储系统。4 GHz 宽原子频率梳的集成使该团队能够实验性地实现多模量子存储系统，为形成与光纤通信基础设施兼容的集成量子网络奠定了基础。
Er3+： 波导的制造和对准。来源： ，doi：10.1126/。
实验
张等利用飞秒激光微加工技术在掺铒铌酸锂晶体晶片上制作了III型波导并设计了存储装置。
该材料的块状晶体将掺杂离子的浓度保持在非常小的百分比，并允许激光写入波导和单模光纤之间的耦合。科学家将掺杂的铌酸锂晶体粘合到铜散热器上，该散热器连接到带有两个单模光纤尾纤的光学准直器上。
他们将光纤集成装置放入稀释制冷机中，观察到整个低温装置的总光透射频率为26%。
多模式存储
多模存储实验涉及生成单光子以及基于原子频率梳制备量子存储和测量系统。研究团队通过由一系列光脉冲泵浦的铌酸锂波导模块中的级联二次谐波生成和自发参量下转换过程生成相关光子对。
对于单模存储，该团队使用了持续时间为 300 皮秒的单个激光脉冲。科学家使用超导纳米线单光子探测器探测设备中的光子。张等人使用时间数字转换器分析了来自该仪器的检测信号。
量子存储器的表征。来源： ，doi：10.1126/。
张和他的同事将铒（Er3+）离子送入周期性吸收结构，例如原子频率梳，齿间距为 5 MHz，相当于存储时间为 200 纳秒。该团队展示了具有大时间带宽积的非经典光的存储。
随后，他们将信号光子送入原子频率梳存储器，计算系统的效率，并根据存储器的传输效率和输入光子的光谱滤波计算出内部存储效率，结果表明原子频率梳量子存储器保持了单光子纯度和光谱纯度。
这些结果使张等人能够构建一个存储时间为 200 纳秒的片上量子存储器，同时在仪器中建立可忽略不计的串扰。
330 个单光子时间模式的量子存储结果。来源： ，doi：10.1126/。
前景
张学英及其同事利用此方法，展示了一种基于激光写入掺铒铌酸锂波导的集成多模量子存储器，该团队实现了时间带宽积为800、存储带宽达到4GHz、存储时间为200纳秒。
这些宽带多模量子存储器方面的成就将为创建高速量子网络开辟道路。虽然这些结果很重要，但研究人员认为，需要进行多次升级才能设计出功能齐全的设备来促进量子网络的发展。
目前的方法将与光纤电信基础设施兼容的光纤集成器件的可靠性结合起来，提供具有宽带多路复用存储特性的有前途的激光写入组件。研究团队希望将光子对源与集成存储器结合起来，实现高速率量子中继器协议，从而创建大规模量子网络。
这些成果将有助于实现大容量、可扩展、与光纤通信兼容的量子系统，对全球量子网络的未来和建设具有重要意义。
更多信息：张雪英等，电信波段集成多模光子量子存储器， (2023)。DOI：10.1126/。
Simon, a ，（2017 年）。DOI：10.1038/-017-0032-0
期刊信息：《自然光子学》、《科学进展》
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