我校郭光燦院士團隊在量子存儲領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權等人採用飛秒激光微加工技術製備出高保真度的可集成固態量子存儲器，並基於自主研製設備首次實現稀土離子的電子自旋及核自旋相干壽命的全面提升。相關成果分別於2月20號和28號發表在著名物理學期刊Optica和Physical Review Applied上。

可集成固態量子存儲實驗示意圖

量子存儲器是構建量子網絡的核心器件，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並且可以整合分處異地的量子計算及量子傳感資源。李傳鋒、周宗權研究組長期致力於基於稀土摻雜晶體的固態量子存儲器研究，所研製固態量子存儲器的保真度、維度數及多模式容量等三項技術指標均保持國際領先。

當前固態量子存儲器研究面臨兩方面的挑戰，一方面，已有的固態量子存儲實驗使用的存儲介質大多是塊狀晶體，這種材料不能直接對接光纖網絡或集成光學芯片，難以實現大規模擴展性應用。另一方面，稀土離子的電子自旋及核自旋與晶體內聲子相互作用，導致量子存儲器的相干壽命嚴重受限。為了推進量子存​​儲器的實用化，研究組從材料加工與測試裝備著手對以上問題展開系統性研究。

為解決擴展性問題，研究組採用飛秒激光微加工技術首次在摻銪矽酸釔晶體中刻蝕出光波導，研製出可集成的固態量子存儲器。波導區域距晶體表面150微米，波導寬度為20微米，可以與其他微納電子學及微納光學器件進行集成加工。由於波導區域內的光場功率密度高，實驗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。實驗中演示了原子頻率梳（AFC）以及低噪聲回波恢復（ROSE）兩種光量子存儲方案，並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，一個有效解決方案是構造深低溫(<0.5K)的脈衝式電子與核自旋雙共振譜儀(ENDOR)，從而減少聲子並極化電子自旋。由於傳統的商用ENDOR系統內熱負載很高，其工作溫度一般無法低於4K，此前國際學術界普遍認為深低溫ENDOR是個無法實現的任務[Nature Nanotechnology 12, 958 (2017)]。研究組在解決了系列技術難題後，成功搭建出國際首個深低溫脈衝式電子與核自旋雙共振譜儀，並嚴格標定其最低工作溫度為0.1K。在0.1K溫度下，測得摻釹矽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，電子自旋的布居數壽命和相干壽命分別達到15秒和2毫秒，同時核自旋的布居數壽命和相干壽命則分別達到10分鐘和40毫秒，這四項壽命指標相比4K溫度下均實現超過一個數量級的提升。

Optica審稿人評價：“the diversity of techniques and implemented protocols represents in overall an important amount of work which validates FLM waveguides as a promising platform of quantum information”（這個工作非常重要，它演示了實驗技術以及方案的多樣性，證明稀土摻雜晶體中刻蝕的光波導在量子信息領域中是一個非常有前景的平台）。

Physical Review Applied審稿人評價：“The measurements are enabled by the development of a millikelvin experimental apparatus capable of ENDOR spectroscopy, a setup that is relatively rare world wide… The apparatus is likewise interesting, and will likely enable detailed spectroscopy of some systems in regimes that have been hard to access before.（這些測量是基於作者研製的一個mK 級別溫度的ENDOR 譜儀實現的，這是一個國際上稀有的裝備…這一設備使得一些物理系統可以實現更精確的譜分析，進入一個前人難以達到的溫度區間。）”；“An order of magnitude increase in both electron and nuclear spin coherence times is observed when going from 4 K to 100 mK. To my knowledge this is the first observation of a strong increase of spin coherence times in rare-earth doped crystals by going to sub-Kelvin temperatures.（從4K到100mK，電子自旋及核自旋的相干壽命都實現超過一個數量級的提升。這 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。）”

兩篇論文的第一作者分別為中科院量子信息重點實驗室博士研究生劉超和李佩耘。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省的資助。

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

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）

文章鏈接：

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-2-192

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.13.024080