光的量子存储器是量子中继器和量子网络的基本组成部分，量子存储器的集成操作可以实现具有低功耗的可扩展应用。然而，到目前为止，集成器件中的光子量子存储寿命仅限于数十微秒，无法满足实际应用的要求。
3月26日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在《Science Advances》期刊发表题为“A millisecond integrated quantum memory for photonic qubits”（用于光子量子比特的毫秒级集成量子内存）的研究论文。刘宇平为论文第一作者，周宗权教授、李传锋教授为论文共同通讯作者。
这项研究展示了光子量子比特的量子存储为1.021毫秒的基础上，激光刻写的光波导中制造的151 Eu 3+：Y2SiO5晶体。151Eu3+的自旋退相位通过经由片上电波导施加的动态解耦来缓解，并且1.021毫秒时的存储效率为12.0±0.5%，这是集成量子存储器优于简单光纤延迟线的效率的证明。
这种长寿命的基于波导的量子存储器可以支持量子中继器中的应用，并且与临界磁场的进一步组合可以实现作为可移动量子存储器的潜在应用。
光子量子存储：稀土晶体的突破与挑战
光子量子存储器是用于通过诸如量子中继器和可移动量子存储器的方法来构建大规模量子网络的关键使能器，其已经在各种原子平台中被证明。
作为一种基于系综的量子存储器，稀土离子掺杂的晶体（REIC）由于其长的相干寿命和宽的带宽而吸引了很多关注。
作为固态平台，已经在REIC中用各种制造技术证明了集成操作，从而实现了具有高保真度、大存储容量和直接电信接口的光波导中的量子存储。
然而，这些集成器件的存储寿命被限制在几十微秒，存储效率低于简单的光纤延迟线，对量子中继器和可移动量子存储器的实际应用提出了重大挑战。
图：实验装置
量子存储的“长寿秘诀”：NLPE与DD技术的完美结合
该研究的核心理论基础是基于稀土离子掺杂晶体的量子存储机制，特别是利用噪声消除光子回波（NLPE）协议来实现光子量子比特的高效存储。NLPE协议通过将输入光子的量子态转换为稀土离子的自旋波激发态，从而实现量子信息的存储。
自旋波激发态具有较长的相干时间，所以量子信息能够在晶体中稳定存储较长时间。然而，由于稀土离子的自旋退相干效应，自旋波激发态的寿命仍然有限。为了进一步延长存储寿命，研究人员引入了动态解耦（DD）技术。
DD技术通过在存储过程中施加一系列射频脉冲，有效地抑制了自旋退相干，从而显著提高了量子存储的寿命。
在实验中，研究者们选择了151Eu3+:Y2SiO5晶体作为量子存储介质。这种晶体具有优异的自旋相干特性和光学性能，能够支持长时间的量子存储。通过在晶体中制造光学波导，研究者们实现了光子的高效耦合和传输。
同时，为了实现DD技术，研究人员在晶体表面制备了共面电波导。这种电波导能够产生均匀的射频磁场，与光学波导中的稀土离子自旋相互作用，从而实现对自旋退相干的有效抑制。
在理论分析中，团队详细研究了NLPE协议和DD技术的物理机制。NLPE协议的关键在于通过光学π脉冲将光子的量子态转换为稀土离子的自旋波激发态。这一过程涉及到稀土离子的能级跃迁和自旋态的演化。
通过精确控制光学π脉冲的时序和强度，能够实现高效的量子存储。
DD技术则通过施加特定序列的射频脉冲来抑制自旋退相干。这些射频脉冲能够有效地反转自旋态的相位，从而抵消由于外部磁场和晶格缺陷等因素引起的自旋退相干效应。
团队经过优化射频脉冲的序列和参数，显著延长自旋波激发态的寿命，从而提高量子存储的效率和寿命。
图：1.021毫秒的单光子能级输入的集成存储
量子存储新突破：毫秒级光子量子存储的奥秘
实验中，研究人员首先制备了一块0.01%掺杂的151Eu3+:Y2SiO5晶体，尺寸为5mm×4mm×17mm。这种低浓度掺杂的晶体能够有效减少自旋不均匀展宽，从而延长自旋相干时间。
光学波导是通过飞秒激光微加工技术在晶体的b轴方向上制造的。飞秒激光的高精度和高能量密度使得能够在晶体内部制造出高质量的光学波导。为了实现DD技术，研究人员在晶体表面制备了共面电波导。
这种电波导由三条沿b轴排列的电极组成，其中两条外电极作为地电极，中间电极作为信号电极。
通过优化电极的宽度和间距，系统能够产生足够均匀的射频磁场，与光学波导中的稀土离子自旋相互作用。
实验装置包括一个频率倍频的稳定半导体激光器，其中心频率为516.847THz，与151Eu3+离子的7F0→5D0跃迁共振。射频信号由任意波形发生器产生，并通过放大器放大后施加到共面电波导上。
光学信号和控制光束通过双通声光调制器（AOM）产生，并经过偏振分束器（PBS）和滤波晶体进行噪声过滤。滤波晶体是一块0.1%掺杂的151Eu3+:Y2SiO5晶体，长度为30mm，用于在信号频率处创建一个透明带，从而减少噪声。
在实验过程中，输入光子首先被耦合到光学波导中，并通过NLPE协议存储在稀土离子的自旋波激发态中。在存储过程中，通过共面电波导施加DD序列，以抑制自旋退相干。
经过一段时间后，存储的量子信息通过光学π脉冲重新转换为光子，并从光学波导中释放出来。通过单光子探测器检测释放出来的光子，研究人员能够测量量子存储的效率、噪声水平和信号-噪声比。
图：1.021 ms内的时间仓量子比特的集成存储。
研究成果
这项研究成功实现了基于激光直写光学波导的1.021毫秒光子量子存储，这一存储时间远超以往集成设备的几十微秒限制，为量子网络的实际应用奠定了基础。
实验中，通过在151Eu3+:Y2SiO5晶体中利用动态解耦技术，有效抑制了151Eu3+离子的自旋退相干，实现1.9毫秒的1/e存储寿命，量子存储效率达到12.0%±0.5%，显著优于简单光纤延迟线。
此外，该量子存储器在存储时间、效率和保真度等方面均展现出优异性能，为量子网络中的量子中继器和可移动量子存储器等应用提供了有力支持。
在单光子水平输入的存储实验中，团队采用NLPE协议，利用稀土离子的自旋波激发态实现光子量子比特的存储。实验结果显示，在未采用DD技术时，NLPE存储效率为17.8%±0.9%，检测窗口为1.1微秒，存储时间为17微秒，信噪比（SNR）为50.7±16.7。
而当引入DD技术后，存储寿命显著延长至1.90±0.04毫秒，在1.021毫秒的存储时间下，存储效率仍可达12.0%±0.5%，尽管噪声水平略有上升，但信噪比仍保持在13.1±2.4，表明DD技术有效提升了量子存储的性能。
进一步地，研究人员在输入脉冲上编码时间-能量量子比特，对量子存储器的量子性能进行了验证。实验中准备了四种输入量子比特状态，包括|e⟩、|l⟩、|e⟩+ |l⟩和|e⟩+ i|l⟩，其中|e⟩和|l⟩分别代表早时间仓和晚时间仓。
将NLPE存储器自身作为非平衡马赫-曾德尔干涉仪（MZI）进行分析，团队观察到在中心时间仓中出现的干涉现象，从而实现了对量子比特的存储和读取。
实验测得的总保真度为89.7%±1.5%，且在不同输入光子水平下，保真度均高于经典“测量-制备”策略所能达到的最大值，明确证明了该长寿命集成量子存储器在量子层面上的优越性能。
主要参与人员
1、郭光灿，中国科学技术大学教授，中国科学院量子信息重点实验室主任，中国科学院院士，现任中国物理学会常务理事、中国光学学会理事长，长期从事量子光学、量子通信和量子计算的理论和实验研究。在包括Nature子刊（13篇）、Phys. Rev. Lett（31篇）在内的国际学术期刊上发表论文700多篇，他引超过10000次。培养博士80余人，其中5人荣获全国百篇优秀博士论文奖。
2、周宗权，中国科学技术大学物理学院中科院量子信息重点实验室教授，博导。面向远程量子通信的重大需求，他基于稀土离子掺杂晶体开展固态量子存储及量子中继的实验研究，成果有提出原创量子存储方案“无噪声光子回波(NLPE)”、实现时分复用的多模式量子中继、把相干光的存储时间提升至1小时，大幅刷新2013年德国团队所创造的光存储1分钟的世界纪录。
3、李传锋，中国科学技术大学杰出讲席教授，合肥国家实验室杰出研究员（兼）。研究领域为量子光学与量子信息，在搭建量子纠缠网络及利用量子信息技术研究量子物理等方向取得系列成果。现为中国光学学会常务理事，中国物理学会量子光学专业委员会主任。
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu5264
[2]https://faculty.ustc.edu.cn/zhouzongquan/zh_CN/index.htm
[3]https://faculty.ustc.edu.cn/lichuanfeng/zh_CN/index.htm
[4]http://lqcc.ustc.edu.cn/hr1.html