中国学者用飞秒激光制备量子存储器

可集成固态量子存储实验示意图。中国科大供图。吴兰摄

中新网合肥3月8日电 (记者 吴兰)中国科学技术大学8日消息该校郭光灿院士团队在量子存储领域取得重要进展用飞秒激光技术制备出高性能可集成固态量子存储器。

相关成果分别于近日发表在著名物理学期刊Optica和Physical Revie Applied上。

据介绍，团队李传锋、周宗权等人采用飞秒激光微加工技术制备出高保真度的可集成固态量子存储器，并基于自主研制设备实现稀土离子的电子自旋及核自旋相干寿命的全面提升。

量子存储器是构建量子网络的核心器件，它可以有效地克服信道损耗从而拓展量子通信的工作距离并且可以整合分处异地的量子计算及量子传感资源。

当前固态量子存储器研究面临两方面的挑战，一方面，已有的固态量子存储实验使用的存储介质大多是块状晶体，这种材料不能直接对接光纤网络或集成光学芯片，难以实现大规模扩展性应用；另一方面，稀土离子的电子自旋及核自旋与晶体内声子相互作用，导致量子存储器的相干寿命严重受限。为了推进量子存储器的实用化，研究组从材料加工与测试装备着手对以上问题展开系统性研究。

为解决扩展性问题，研究组采用飞秒激光微加工技术在掺铕硅酸钇晶体中刻蚀出光波导，研制出可集成的固态量子存储器。实验测定两种方案对应的保真度分别超过99%和97%，表明这种可集成量子存储器具有很高的可靠性。

针对相干寿命受限的问题，此前国际学术界普遍认为深低温(pan>)的脉冲式电子与核自旋双共振谱仪是个无法实现的任务。研究组在解决了系列技术难题后，成功搭建出国际首个深低温脉冲式电子与核自旋双共振谱仪，并严格标定其最低工作温度为0.1K。

在0.1K温度下，测得掺钕硅酸钇晶体的自旋回波信号的信噪比相比4K温度下提升了20倍，电子自旋的布居数寿命和相干寿命分别达到15秒和2毫秒，核自旋的布居数寿命和相干寿命则分别达到10分钟和40毫秒，这四项寿命指标相比4K温度下均实现超过一个数量级的提升。

Physical Revie Applied审稿人评价认为，从4K到100mK，电子自旋及核自旋的相干寿命都实现超过一个数量级的提升。这是在稀土离子中通过深低温观察到自旋相干寿命的显著增强。