中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊(duì)在量子存儲領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)等人采用飛秒激光微加工技術(shù)制備出高保真度的可集成固態(tài)量子存儲器，并基于自主研制設(shè)備首次實(shí)現(xiàn)稀土離子的電子自旋及核自旋相干壽命的全面提升。相關(guān)成果分別于2月20日和28日發(fā)表在物理學(xué)期刊Optica和Physical Review Applied上。 

　　量子存儲器是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件，它可以有效地克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離并且可以整合分處異地的量子計(jì)算及量子傳感資源。當(dāng)前固態(tài)量子存儲器研究面臨兩方面的挑戰(zhàn)，一方面，已有的固態(tài)量子存儲實(shí)驗(yàn)使用的存儲介質(zhì)大多是塊狀晶體，這種材料不能直接對接光纖網(wǎng)絡(luò)或集成光學(xué)芯片，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)展性應(yīng)用。另一方面，稀土離子的電子自旋及核自旋與晶體內(nèi)聲子相互作用，導(dǎo)致量子存儲器的相干壽命嚴(yán)重受限。為了推進(jìn)量子存儲器的實(shí)用化，研究組從材料加工與測試裝備著手對以上問題展開系統(tǒng)性研究。 

　　為解決擴(kuò)展性問題，研究組采用飛秒激光微加工技術(shù)首次在摻銪硅酸釔晶體中刻蝕出光波導(dǎo)，研制出可集成的固態(tài)量子存儲器。波導(dǎo)區(qū)域距晶體表面150微米，波導(dǎo)寬度為20微米，可以與其他微納電子學(xué)及微納光學(xué)器件進(jìn)行集成加工。由于波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的光場功率密度高，實(shí)驗(yàn)所需的控制激光功率相比塊狀晶體所需功率下降了約30倍。實(shí)驗(yàn)中演示了原子頻率梳（AFC）以及低噪聲回波恢復(fù)（ROSE）兩種光量子存儲方案，并通過參考光信號與存儲器讀出光信號之間的干涉，測定了存儲保真度。兩種方案對應(yīng)的保真度分別超過99%和97%，表明這種可集成量子存儲器具有很高的可靠性。 

　　針對相干壽命受限的問題，一個(gè)有效解決方案是構(gòu)造深低溫(<0.5K)的脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀(ENDOR)，從而減少聲子并極化電子自旋。由于傳統(tǒng)的商用ENDOR 系統(tǒng)內(nèi)熱負(fù)載很高，其工作溫度一般無法低于4K，此前國際學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為深低溫 ENDOR 是個(gè)無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)[Nature Nanotechnology 12, 958 (2017)]。研究組在解決了系列技術(shù)難題后，成功搭建出國際首個(gè)深低溫脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀，并嚴(yán)格標(biāo)定其最低工作溫度為0.1K。在0.1K溫度下，測得摻釹硅酸釔晶體的自旋回波信號的信噪比相比4K溫度下提升了20倍，電子自旋的布居數(shù)壽命和相干壽命分別達(dá)到15秒和2毫秒，同時(shí)核自旋的布居數(shù)壽命和相干壽命則分別達(dá)到10分鐘和40毫秒，這四項(xiàng)壽命指標(biāo)相比4K溫度下均實(shí)現(xiàn)超過一個(gè)數(shù)量級的提升。 

　　Optica 審稿人評價(jià)：“這個(gè)工作非常重要，它演示了實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及方案的多樣性，證明稀土摻雜晶體中刻蝕的光波導(dǎo)在量子信息領(lǐng)域中是一個(gè)非常有前景的平臺。” 

　　Physical Review Applied 審稿人評價(jià)：“這些測量是基于作者研制的一個(gè)mK 級別溫度的ENDOR 譜儀實(shí)現(xiàn)的，這是一個(gè)國際上稀有的裝備……這一設(shè)備使得一些物理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更精確的譜分析，進(jìn)入一個(gè)前人難以達(dá)到的溫度區(qū)間。”“從4K到100mK，電子自旋及核自旋的相干壽命都實(shí)現(xiàn)超過一個(gè)數(shù)量級的提升。這是首次在稀土離子中通過深低溫觀察到自旋相干壽命的顯著增強(qiáng)。” 

　　兩篇論文的第一作者分別為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生劉超和李佩耘。該工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省的資助。 

　　可集成固態(tài)量子存儲實(shí)驗(yàn)示意圖 

　　(a)深低溫電子與核自旋雙共振譜儀的樣品局部圖(b)自旋回波信號強(qiáng)度與工作溫度的關(guān)系