基于量子存储器的时间同步功能可以把多段短程纠缠连接为远程的纠缠，从而有效地克服光子传输损耗，实现大尺度量子网络的建立。稀土掺杂晶体是一种性能优异的量子存储候选系统，人们已基于多种微纳加工技术实现了可集成固态量子存储器的制备。
此前的可集成固态量子存储器都局限在原子激发态上的存储，无法实现时间连续可调的同步功能，且其存储时间根本上受限于原子激发态的寿命。把光子存储到原子自旋的集体激发上，即自旋波量子存储，则可以实现基于自旋态的按需式长寿命存储。然而，在可集成器件中实现单光子信号和强光控制脉冲及其诱导噪声的分离是一项艰巨的挑战，自旋波量子存储至今还未在可集成固态装置中得以实现，被认为是可集成固态量子存储走向实际应用的主要阻碍。
近期，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组基于自主加工器件和原创量子存储方案，成功实现了可集成的自旋波量子存储器。在噪声抑制方面，研究团队利用飞秒激光直写技术在掺铕硅酸钇（Eu:YSO）晶体上制备出支持偏振滤波的圆对称波导。并进一步结合频率、时间、方向的多自由度组合滤波，实现了单光子信号和强光控制脉冲在同一个波导模式下的传输和分离。在信号提取方面，研究团队执行了两种自旋波量子存储方案：团队原创的无噪声光子回波（NLPE）量子存储方案和已广泛应用的原子频率梳（AFC）方案。由于NLPE方案中样品原始吸收无需裁剪，NLPE方案在同等条件下相比AFC方案实现超过4倍的效率增强。最终，研究团队基于NLPE方案实现了时间戳（time-bin）量子比特的自旋波存储，保真度高达94.9±1.2%，远超出任何经典器件所能获得的最大保真度，证明这一可集成器件的高可靠性。
图1: 实验装置示意图（左）和波导量子存储器的显微照片（右）
该研究成果解决了自旋波可集成固态量子存储的难题，为实现多通道复用的量子中继和大容量的可移动量子存储奠定了关键基础。此成果发表于《国家科学评论》2024年第11期，标题为“Integrated Spin-waveQuantum Memory“。文章的共同通讯作者为周宗权教授和李传锋教授，文章的共同第一作者是朱天翔博士和研究生苏明煦。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、中国博士后科学基金以及中国科学技术大学资助。