【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子網(wǎng)絡(luò)核心器件上取得重要突破。該團(tuán)隊(duì)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(chǔ)架構(gòu)，研制出效率高達(dá)80.3%、體積僅4×10?? mm³的固態(tài)量子存儲(chǔ)器，效率創(chuàng)世界紀(jì)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(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》。
 

　　光量子存儲(chǔ)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(luò)的規(guī)模與速率。其中，50%的存儲(chǔ)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(yīng)用的關(guān)鍵閾值。在以往研究中，為了實(shí)現(xiàn)高存儲(chǔ)效率，研究人員普遍依賴增大介質(zhì)尺寸來增強(qiáng)光吸收能力，導(dǎo)致器件體積龐大(0.1 mm³-10? mm³量級(jí))，制約了其規(guī)模化集成與應(yīng)用。
 

　　面對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，構(gòu)建了基于“阻抗匹配微腔”的全新量子存儲(chǔ)架構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)基于摻銪硅酸釔晶體設(shè)計(jì)了兩種新型的微腔增強(qiáng)量子存儲(chǔ)器：一種是利用激光在晶體內(nèi)部雕刻光波導(dǎo)，鍍膜形成波導(dǎo)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(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的完美吸收。當(dāng)微腔透過率與稀土離子吸收率相等(即阻抗匹配)時(shí)，僅需200微米厚的晶體薄膜即可近乎完美地捕獲單個(gè)光子。這一尺寸與頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)，整個(gè)存儲(chǔ)裝置的體積僅4×10-5mm3。該微型量子存儲(chǔ)裝置最終實(shí)現(xiàn)了80.3%的單光子存儲(chǔ)效率，并且在突破50%效率閾值的條件下，實(shí)現(xiàn)了20個(gè)時(shí)間模式的并行存儲(chǔ)。
 

　　該成果一舉打破保持了16年的固態(tài)量子存儲(chǔ)效率世界紀(jì)錄(69%)，并同步將器件體積縮小上千倍，成功解決了長(zhǎng)期以來“高效率”與“小體積”難以兼得的技術(shù)難題。這為實(shí)現(xiàn)高速量子中繼、大容量可移動(dòng)存儲(chǔ)及規(guī)?；孔泳W(wǎng)絡(luò)奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。審稿人對(duì)此給予高度評(píng)價(jià)：“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(qiáng)存儲(chǔ)的效率都超過了50%的非克隆界限，這是集成光量子存儲(chǔ)領(lǐng)域的重大里程碑。這一成果為光量子存儲(chǔ)技術(shù)樹立了新標(biāo)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的存儲(chǔ)效率…還展示了多項(xiàng)關(guān)鍵而實(shí)用的功能，包括量子光場(chǎng)存儲(chǔ)、時(shí)域復(fù)用、按需讀取以及頻譜復(fù)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(chǔ)實(shí)驗(yàn)，博士生劉沛希和朱天翔副研究員完成波導(dǎo)腔存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，博士后梁澎軍生長(zhǎng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及中國(guó)科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員的資助。