郭光燦院士團隊制備出高性能可集成固態量子存儲器

　　中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子存儲領域取得新進展。該團隊李傳鋒、周宗權等人采用飛秒激光微加工技術制備出高保真度的可集成固態量子存儲器，并基于自主研制設備首次實現稀土離子的電子自旋及核自旋相干壽命的全面提升。相關成果分別于2月20日和28日發表在物理學期刊Optica和Physical Review Applied上。

可集成固態量子存儲實驗示意圖

　　量子存儲器是構建量子網絡的核心器件，它可以有效地克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離并且可以整合分處異地的量子計算及量子傳感資源。當前固態量子存儲器研究面臨兩方面的挑戰，一方面，已有的固態量子存儲實驗使用的存儲介質大多是塊狀晶體，這種材料不能直接對接光纖網絡或集成光學芯片，難以實現大規模擴展性應用。另一方面，稀土離子的電子自旋及核自旋與晶體內聲子相互作用，導致量子存儲器的相干壽命嚴重受限。為了推進量子存儲器的實用化，研究組從材料加工與測試裝備著手對以上問題展開系統性研究。

　　為解決擴展性問題，研究組采用飛秒激光微加工技術首次在摻銪硅酸釔晶體中刻蝕出光波導，研制出可集成的固態量子存儲器。波導區域距晶體表面150微米，波導寬度為20微米，可以與其他微納電子學及微納光學器件進行集成加工。由于波導區域內的光場功率密度高，實驗所需的控制激光功率相比塊狀晶體所需功率下降了約30倍。實驗中演示了原子頻率梳（AFC）以及低噪聲回波恢復（ROSE）兩種光量子存儲方案，并通過參考光信號與存儲器讀出光信號之間的干涉，測定了存儲保真度。兩種方案對應的保真度分別超過99%和97%，表明這種可集成量子存儲器具有很高的可靠性。

　　針對相干壽命受限的問題，一個有效解決方案是構造深低溫(<0.5K)的脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀(ENDOR)，從而減少聲子并極化電子自旋。由于傳統的商用ENDOR 系統內熱負載很高，其工作溫度一般無法低于4K，此前國際學術界普遍認為深低溫 ENDOR 是個無法實現的任務[Nature Nanotechnology 12, 958 (2017)]。研究組在解決了系列技術難題后，成功搭建出國際首個深低溫脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀，并嚴格標定其最低工作溫度為0.1K。在0.1K溫度下，測得摻釹硅酸釔晶體的自旋回波信號的信噪比相比4K溫度下提升了20倍，電子自旋的布居數壽命和相干壽命分別達到15秒和2毫秒，同時核自旋的布居數壽命和相干壽命則分別達到10分鐘和40毫秒，這四項壽命指標相比4K溫度下均實現超過一個數量級的提升。

　　Optica 審稿人評價：“這個工作非常重要，它演示了實驗技術以及方案的多樣性，證明稀土摻雜晶體中刻蝕的光波導在量子信息領域中是一個非常有前景的平臺。”

　　Physical Review Applied 審稿人評價：“這些測量是基于作者研制的一個mK 級別溫度的ENDOR 譜儀實現的，這是一個國際上稀有的裝備……這一設備使得一些物理系統可以實現更精確的譜分析，進入一個前人難以達到的溫度區間。”“從4K到100mK，電子自旋及核自旋的相干壽命都實現超過一個數量級的提升。這是首次在稀土離子中通過深低溫觀察到自旋相干壽命的顯著增強。”

　　該工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省的資助。

(a)深低溫電子與核自旋雙共振譜儀的樣品局部圖(b)自旋回波信號強度與工作溫度的關系