【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊在量子網(wǎng)絡核心器件上取得重要突破。該團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于創(chuàng)新的“阻抗匹配微腔”量子存儲架構(gòu)，研制出效率高達80.3%、體積僅4×10?? mm³的固態(tài)量子存儲器，效率創(chuàng)世界紀錄，且體積較現(xiàn)有器件縮小上千倍。該成果2月11日發(fā)表在國際知名學術(shù)期刊《自然·光子學》。
 

　　光量子存儲器是構(gòu)建量子中繼和未來量子互聯(lián)網(wǎng)的核心器件，直接決定量子網(wǎng)絡的規(guī)模與速率。其中，50%的存儲效率被稱為“非克隆界限”，超過這一界限意味著可利用的光子多于丟失的光子，是器件邁向?qū)嶋H應用的關(guān)鍵閾值。在以往研究中，為了實現(xiàn)高存儲效率，研究人員普遍依賴增大介質(zhì)尺寸來增強光吸收能力，導致器件體積龐大(0.1 mm³-10? mm³量級)，制約了其規(guī)?；膳c應用。
 

　　面對這一挑戰(zhàn)，中國科大團隊獨辟蹊徑，構(gòu)建了基于“阻抗匹配微腔”的全新量子存儲架構(gòu)。研究團隊基于摻銪硅酸釔晶體設(shè)計了兩種新型的微腔增強量子存儲器：一種是利用激光在晶體內(nèi)部雕刻光波導，鍍膜形成波導腔；另一種則將晶體薄膜耦合開放式的光纖微腔。
 

　　該架構(gòu)的創(chuàng)新之處在于摒棄了傳統(tǒng)的“以體積換性能”思路，而是通過微腔的光干涉效應實現(xiàn)對光子的完美吸收。當微腔透過率與稀土離子吸收率相等(即阻抗匹配)時，僅需200微米厚的晶體薄膜即可近乎完美地捕獲單個光子。這一尺寸與頭發(fā)絲的直徑相當，整個存儲裝置的體積僅4×10-5mm3。該微型量子存儲裝置最終實現(xiàn)了80.3%的單光子存儲效率，并且在突破50%效率閾值的條件下，實現(xiàn)了20個時間模式的并行存儲。
 

　　該成果一舉打破保持了16年的固態(tài)量子存儲效率世界紀錄(69%)，并同步將器件體積縮小上千倍，成功解決了長期以來“高效率”與“小體積”難以兼得的技術(shù)難題。這為實現(xiàn)高速量子中繼、大容量可移動存儲及規(guī)?；孔泳W(wǎng)絡奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。審稿人對此給予高度評價：“Both cavity-enhanced memory efficiencies exceeded the 50% no-cloning threshold, representing a major milestone in integrated photonic quantum memories. These results set a new bar for photonic quantum memory technology, especially in a small device form factor enabling scalable manufacturing and high memory capacity.”(兩種腔增強存儲的效率都超過了50%的非克隆界限，這是集成光量子存儲領(lǐng)域的重大里程碑。這一成果為光量子存儲技術(shù)樹立了新標桿，其小型化的器件形態(tài)尤為關(guān)鍵，為規(guī)?；圃炫c大容量存儲奠定了基礎(chǔ)。)”。“While they achieve record efficiencies…they also demonstrate several essential and useful features, including the storage of non-classical light, temporal multiplexing, on demand recall, and the possibility of spectral multiplexing, with efficiencies higher than the 50 % threshold.”(他們不僅實現(xiàn)了破紀錄的存儲效率…還展示了多項關(guān)鍵而實用的功能，包括量子光場存儲、時域復用、按需讀取以及頻譜復用能力，且效率均高于50%閾值。)
 

　　該成果由博士后靳明、博士生孟若然、劉肖副研究員完成光纖微腔存儲實驗，博士生劉沛希和朱天翔副研究員完成波導腔存儲實驗，博士后梁澎軍生長高質(zhì)量摻銪硅酸釔晶體，張超特任教授制備窄線寬量子光源。研究工作得到了合肥國家實驗室、國家自然科學基金委以及中國科學院的資助。周宗權(quán)得到中國科學院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員的資助。