近日，一项在量子存储领域取得突破性进展的研究成果发表于《nature photonics》期刊。该研究由中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）的实验室团队（罗然蒙， 刘沛溪， 刘潇， 朱天翔， 梁鹏军， 张超， 唐仲阳， 张弘哲， 崔金明， 金明， 周宗权， 李传锋， 郭光灿等作者）完成。这项研究瞄准了构建可扩展量子网络和光子处理器的关键需求，成功实现了高效率的集成化量子光存储器。
在量子信息科学领域，光量子存储器是一项核心支撑技术。它能够存储并随后按需释放光的量子态，这对于实现长距离量子通信（如量子中继器）和光量子计算至关重要。存储效率是衡量量子存储器性能的关键指标。高效率意味着更快的量子纠缠分发速率、更高概率的多光子态产生以及更成功的量子门操作。一个公认的重要效率阈值是50%，超过这一阈值意味着可以在无后选择的条件下进入“不可克隆”量子操作范畴，并为单向量子计算中的纠错协议奠定基础。
长期以来，高效的量子存储主要在冷原子气体、热原子蒸气或块状稀土离子（Rare-earth-ion， REI）掺杂晶体中实现，但这些系统通常体积较大，且受限于单时间模式存储能力。集成化量子存储器，特别是基于波导或微型腔的结构，虽能极大缩小器件尺寸（体积可降至立方毫米甚至更小），但其最高存储效率在过去一直徘徊在27.8%以下，成为制约其实用化的主要瓶颈。
本研究的核心目标，就是突破这一效率瓶颈。研究团队旨在开发一种基于稀土离子掺杂晶体的集成量子存储方案，通过创新的器件架构，实现存储效率的显著提升，并同时兼顾多模式存储能力和光谱可调谐性。
为了实现高效率存储，研究团队面临的主要挑战是稀土离子光学跃迁的弱吸收性。他们采用的解决方案是阻抗匹配光学微腔（impedance-matched optical microcavity）。这种设计的基本原理是将光限制在腔内，使其与稀土离子掺杂介质（吸收体）发生多次相互作用，从而极大地增强有效光学深度，即使介质本身很薄，也能实现近乎完美的吸收和存储。理论上，存储效率 η 可简化为：η = η_m × η_deph / (1 + ε/(4*d̃))^4，其中 η_m 是模式匹配效率，η_deph 表示原子退相保真度，ε 是腔内往返损耗，d̃ 是平均有效吸收深度。实现高效率需要 η_m 和 η_deph 接近1，且 ε/(4*d̃) 远小于1。
本研究设计并实现了两种全新的微腔架构，均采用掺杂 ¹⁵¹Eu³⁺ 的 Y₂SiO₅ 晶体作为存储介质：
波导腔： 在一块尺寸为 5.0 × 4.0 × 4.9 mm³ 的 ¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅ 晶体（掺杂浓度 700 ppm）中，利用飞秒激光微加工技术制备了 V 型光波导。该晶体的 D1 × D2 面被抛光并镀上反射膜，在存储光波长（580 nm）的反射率分别为 R1 = 65% 和 R2 = 99.5%，从而形成了波导腔。波导结构极大地改善了光与腔模的匹配效率（η_m 达到 98.5%），且传播损耗极低。在波导两侧集成了片上共面电极，可通过施加电脉冲产生斯塔克（Stark）频移，从而主动控制存储光子的读出时间。这种波导腔实现了高达 80.3(7)% 的弱相干脉冲存储效率，创造了固态系统光存储效率的新纪录。
光纤基微腔： 将一块 200 μm 厚的 ¹⁵¹Eu³⁵⁺:Y₂SiO₅ 薄膜作为平面镜，与一个具有高反射率（R2 > 99.95%）的凹面光纤镜对准，构成一个光纤法布里-珀罗微腔。薄膜的外表面直接镀有高反射膜（R1 = 96.5%）作为腔镜。这种结构将存储介质体积降至约 4 × 10⁻⁵ mm³，比之前的高效存储器小了三个数量级以上。薄膜粘合在带有中心孔的蓝宝石基底上，这一粘接过程会在薄膜中引入可变的应力。输入光通过薄膜平面镜耦合进腔，模式匹配效率 η_m 为 95(1)%。为了抑制低温恒温器振动对腔长稳定性的影响，研究团队采用了弹簧被动隔振和剪切压电陶瓷主动锁定的组合方案，将腔长稳定在 50 pm 以内，使存储效率的损失低于 0.2%。
光谱制备： 为了实现高效的量子存储，研究团队采用了原子频率梳（Atomic Frequency Comb， AFC）协议。他们在稀土离子晶体的非均匀加宽吸收谱中，通过光谱烧孔技术烧蚀出一系列等间距的尖峰（原子频率梳）。为了在获得高精细度 AFC（以获得高 η_deph）的同时避免由强吸收引起的慢光效应（这会限制系统带宽和模式容量），他们采用了一种吸收增强型光谱烧孔技术。该技术能在透射“凹坑”内制备出吸收增强的 AFC，使得增强 AFC 引起的快光色散与光谱凹坑引起的慢光色散相互抵消，从而在保持高精细度的同时，维持相对较大的系统带宽，为高效的多时间模式存储奠定了基础。
实验流程： 研究分别在波导腔和光纤基微腔两种装置上，对存储性能进行了系统性的实验表征。主要的实验对象和流程包括： * 效率测量： 使用平均光子数接近单光子水平的弱相干光脉冲（形状为高斯形）作为输入信号，测量存储和读出后的光子计数，计算存储效率。 * 按需读出与多模式存储： 在波导腔中，利用片上电极施加不同时序的电脉冲，演示了对存储光子的按需顺序读出（读出多达七个 AFC 回波）。在两个装置中，均演示了多时间模式的光存储。波导腔存储了 8 个时间模式，平均效率为 52.9(2)%；光纤基微腔存储了 20 个时间模式，平均效率为 51.3(2)%。 * 量子态保真度验证： 将时间比特编码在输入光子上（如早期态 |e〉、晚期态 |l〉 以及叠加态 |e〉+ |l〉），存储后再读出。通过独立的 AFC 分析器或双 AFC 结构分析读出量子态的保真度，以验证存储过程的量子性，并与经典“测量-再制备”策略的保真度界限进行比较，证实存储器在量子领域运行。 * 单光子存储： 这对于实际量子网络应用至关重要。研究团队通过腔增强的非简并自发参量下转换过程，产生 580 nm 信号光子和 1537 nm（电信 C 波段）触发光子的纠缠对。触发光子作为宣布信号，从而获得单光子源。随后，他们将 580 nm 的宣布单光子存储于光纤基微腔中，测量了其存储效率。 * 光谱可调谐性验证： 利用薄膜在粘接过程中产生的应力，通过压光效应，研究了存储中心频率的调谐。测量了不同薄膜（不同厚度、不同粘接位置）的光致发光激发光谱，观察到了吸收中心频率的变化，并测试了相应频率下的量子存储效率。
破纪录的存储效率： 研究取得了突破性的存储效率。
高效的多时间模式存储： 两种架构均成功演示了远超单模式的多时间模式存储。
量子态存储与相干性保持： 时间比特存储实验测得的总保真度最低为 99.0(1)%，这明确违背了经典策略可达到的保真度界限，证明该存储器是在量子领域运行的。此外，对读出的多模式回波与参考脉冲进行干涉测量，获得了高达 0.94 的可见度，证实了存储过程对多个时间模式相干性的可靠保持。这一结果验证了存储器在存储和处理量子信息方面的实用性。
按需读出与光谱可调谐性： 波导腔通过电控斯塔克频移实现了对存储光子读出时间的主动、按需控制，展示了其作为可编程量子缓冲器的潜力。光纤基微腔则通过薄膜应力实现了 ~10 GHz 范围的光谱中心频率调谐，并且在调谐范围内仍能保持高效率存储。这一特性为实现宽带频谱复用和与自由原子量子光源的灵活接口提供了可能性，因为后者的大范围光谱调谐极具挑战。
集成化与小型化： 光纤基微腔器件的有效体积仅为 4 × 10⁻⁵ mm³，相比其他高效量子存储器缩小了三个数量级以上。波导腔则展示了片上集成和电控操作的潜力。这些结果共同表明，该研究成功地将高效率、多模式容量与器件的小型化、集成化相结合。
本研究成功开发并演示了两种基于 ¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅ 晶体与阻抗匹配微腔的新型高效集成量子存储器架构：波导腔和光纤基微腔。研究不仅实现了破纪录的存储效率（弱相干脉冲 80.3%，宣布单光子 69.8%），还同时展示了高效的多时间模式存储（20 个模式平均效率超 50%）、量子态的高保真保持、按需读出能力以及通过应力实现的光谱可调谐性。
这项工作的科学价值和应用价值极为显著： * 科学价值： 它彻底打破了集成量子存储器效率长期低于 27.8% 的瓶颈，首次将固态集成器件的效率提升至远超 50% 的“不可克隆”阈值，并证明了在极小的体积内同时实现高效率与大多模式容量是可行的。这为量子存储器性能的评估设立了新的标杆。 * 应用价值： 该研究为构建大规模量子网络和芯片级光子处理器提供了关键的硬件基础。高效率直接提升了量子中继器的纠缠分发速率和光量子计算的成功概率；多模式容量和光谱可调谐性为实现高数据吞吐量的频谱-时间混合复用中继器铺平了道路；而器件的集成化和小型化则有利于未来的大规模扩展和系统集成。特别是电信波段宣布单光子的高效存储，为直接接入现有光纤通信网络的长距离量子通信提供了直接接口。
研究还指出了未来发展的方向。例如，将光纤基微腔扩展至长寿命自旋波存储是可行的，可通过设计平面镜涂层，使控制脉冲以非共线方式注入。对于波导腔，则可通过双共振设计和偏振滤波实现自旋波操作。此外，研究团队指出，光纤尾纤和封装技术对于提升集成量子存储器的实用性至关重要，他们之前已演示过基于波导的存储器光纤尾纤技术，未来可将此技术扩展到波导腔和光纤基微腔上。这项研究成果扫清了集成量子存储器在效率方面的主要障碍，并凸显了其在高密度复用和灵活光谱调谐方面的独特优势，为它们在大规模量子网络和光子处理器中的广泛应用铺平了道路。