集成固态光量子存储器件研究进展_魏世海.pdf

|信息通信技术与政策集成固态光量子存储器件研究进展魏世海张雪莹廖金宇樊博宇范云茹周强(电子科技大学基础与前沿研究院,成都 610054)摘要:集成量子存储器在大规模量子网络建设中将扮演核心作用。近年来,人们致力于实现高性能集成光量子存储器件,其中基于稀土掺杂固体材料的集成固态光量子存储器件具有显著优势。此类量子存储器有望支持长时间、高效率、高保真、大带宽和多模式的光量子存储,还易与其他量子功能器件直接集成,发展全集成的量子信息器件。回顾了不同集成固态光量子存储器件的研究进展,包括掺铒石英光纤、钛扩散掺杂铌酸锂波导、飞秒激光直写掺杂波导和聚焦离子束刻蚀掺杂器件等,比较分析了各自的特点、潜力和挑战。关键词:量子网络;量子存储;稀土掺杂固体材料;可集成性中图分类号:O413;TN929.1 文献标志码:A引用格式:魏世海,张雪莹,廖金宇,等.集成固态光量子存储器件研究进展J.信息通信技术与政策,2023,49(7):44-52.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.07.0060 引言量子网络1-3将实现许多革命性的应用,包括量子通信、量子计算和量子精密测量4-8等。为了实现远距离量子网络节点间的量子互联,光子被认为是最适合的量子信息载源,它不仅有利于实现远距离传输,还便于进行量子信息编码。尽管通过光纤直接传输光子并完成量子信息应用的最长距离已经达到 1 000 km9,但是光子损耗随量子通道距离呈指数增加,进一步增加光子的传输距离仍然具有挑战性。克服距离限制的有效方法之一是量子中继方案10,它将传输通道划分为多个短距离链路,即基础链路,并通过量子纠缠交换在基础链路之间建立量子纠缠联接11-12。量子中继方案的实现依赖于使用光量子存储器实现不同基础链路间的时间同步。因此,发展大规模量子网络的主要挑战之一是研制高性能的光量子存储器件13。近年来,人们致力于在各种量子材料中实现高性能的量子存储,包括单粒子14、原子气体15和稀土离子 掺 杂 固 态(Rare-Earth Ions Doped Solid-State,REIDS)材料16-17等。每个材料体系在某些指标上具备一些性能优势,然而考虑到实际应用中对器件的可扩展性要求,可集成的光量子存储器件对大规模量子网络的建设至关重要。在发展集成光量子存储器件方面,使用 REIDS 材料的技术路线具有以下显著特点:一方面,大部分光量子存储协议都可以在 REIDS 材料的器件中实现;另一方面,RIEDS 材料制备的器件可以实现长时间、高效率、高保真、大带宽和多模式的光量44基 金 项 目:国 家 重 点 研 发 计 划 项 目(No.2018YFA0307400);四 川 省 重 点 研 发 计 划 项 目(No.2021YFSY0062,No.2021YFSY0063,No.2021YFSY0064,No.2021YFSY0065,No.2021YFSY0066,No.2022YFSY0061,No.2022YFSY0062,No.2022YFSY0063)专题:量子信息技术2023 年第 7 期子存储,还可以直接实现片上制备,甚至能与其他片上功能器件直接结合18,例如可以将片上光量子存储与量子光源、单光子探测集成构成功能全面的量子信息器件。目前,已经有多种方法来制备集成固态光量子存储器件,包括掺铒石英光纤方案、钛扩散掺杂铌酸锂波导方案、激光直写掺杂波导方案和聚焦离子束刻蚀掺杂器件方案。本文在介绍常用固态量子存储协议的基础上,总结集成固态光量子存储器件最新研究进展,并对集成固态光量子存储件的特点、潜力和未来挑战进行分析。1 固态量子存储协议简介光量子存储的本质是通过光与物质相互作用来实现光子波包相干性的输入、存储和读取。在过去二十年,光量子存储器已经在多种物理体系中得到实现,包括 REIDS 材料、NV 色心(Nitrogen-Vacancy Center)、半导体量子点、单原子、光机械振子、热原子系综、冷原子系综等。所采用的光量子存储协议包括电磁诱导透明 协 议(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)、原子 频率 梳 协 议(Atomic Frequency Combs,AFC)、光子回波协议(Photon Echo,PE)等。1.1 电磁诱导透明协议(EIT)EIT 最早由美国斯坦福大学 S.Harris 等19在1991年观测到的物理现象,即在控制光的作用下,原子对光的吸收变得透明或者吸收大幅减小。随后,这一现象被广泛应用于光量子存储中。EIT 存储的一个必要条件是原子系综存在 型的能级结构。探测光,即信号光与基态到激发态跃迁共振,在进入介质之前用控制光将原子系综初始化,也就是应用一束与基态|g到自旋能级跃迁|s共振的强控制光将所有原子转移至基态形成透明窗口。在信号光进入存储介质以后关闭控制光,介质的透明窗口消失,探测光被介质吸收并以相干态的形式存储在自旋能级上。在存储一段时间后,再次将控制光打开,探测光则从自旋能级重新回到基态并辐射出光子。2013 年,德国达姆施塔特工业大学T.Halfmann 团队20在 Pr3+:Y2SiO5晶体中实现了基于EIT 的存储,存储时间超过了 1 min。EIT 存储协议的缺点在于透明窗口的带宽在兆赫兹量级,难以实现比透明窗口带宽更大的宽带存储。1.2 原子频率梳协议(AFC)AFC 由瑞士日内瓦大学 N.Gisin 团队21于 2009年提出。与 EIT 不同,AFC 最大的优势在于可以充分利用具有非均匀展宽的原子系综,实现宽带以及多模式存储。通过使用泵浦激光对原子系综的非均匀展宽做频率选择性光学泵浦,形成一系列频率间隔为 的梳状结构,不需要的原子从基态|g的泵浦到激发态|e后进一步退相干演化到辅助能级|aux上。当与原子系综的跃迁能级共振的信号光子进入到所制备的AFC 中被吸收后,生成 Dicke 态,具体如下。|=1NNjcjei2jte-izj|g1ejgN(1)其中,N 为原子数,|gj和|ej代表原子 j 的基态和激发态,|zj代表原子 j 的位置,K 代表光场的波数,幅度cj依赖于原子 j 的频率和空间的位置,j代表第 j 个原子相对于输入光子的频率失谐量。吸收光子后,该集体 Dicke 态将快速退相干,不同模式之间产生不同的频率失谐。由于这种周期性的吸收峰结构,经过 1/时间后,不同模式之间的相对相位重新归零,从而发射出光子回波信号。由于 AFC 结构的特殊性,它的存储时间是预先设定好的,即固定存储时间。为了解决固定存储时间问题,后续发展出一系列按需存储方案,如自旋波存储协议(Spin-Wave AFC)和斯塔克协议(Stark AFC)。基于 AFC 协议的固态量子存储器面向实际应用已经开始进入集成化和按需读出发展阶段,2022 年中国科学技术大学李传锋团队22实现光纤集成化的片上光量子存储器,并通过斯塔克协议在试验上验证了按需读出。1.3 光子回波协议光子回波协议是最早用于实现量子存储的协议之一。传统的光子回波协议通过将强光脉冲作用于原子系综,使其相位翻转以实现存储。初始时刻 t=0,所有原子具有相同的相位。当输入信号光脉冲时,原子被激发到激发态,并开始退相干产生相位差。等待一段时间后,在 t=t0时刻输入第二个强光脉冲(脉冲)使得上下能级的布居数发生翻转。在 t=2t0时刻,不同原子间的相位差重新归零,从而发射出光子回波。该协议中 脉冲的使用产生了大量的布居数翻转,导致原子从激发态回到基态的过程中释放出大量的噪声光子,降低了存储信号的保真度。为了抑制噪声,法国巴54|信息通信技术与政策黎南大学 V.Damon 等提出低噪声回波恢复协议23。该协议在 t=t0+ts时刻输入第二个 脉冲将被激发的电子重新泵浦至基态。存储信号以二阶回波形式在t=t0+2ts时刻读出,并通过引入空间失配来抑制一阶回波。通过这种方式,降低了辐射的大量噪声对回波信号的影响,从而实现回波信号的高保真按需读出。2020 年,中国科学技术大学李传锋团队24利用飞秒激光直写的 Eu3+:Y2SiO5波导成功实现了低噪声回波恢复协议;受四级光子回波和低噪声光子回波的启发,该团队在 2021 年提出一种通过四个 脉冲来实现的无噪声光子回波协议25,该协议基于四维原子希尔伯特空间中的双重定相,可以同时消除相干噪声和自发辐射噪声,并在激光直写的 Eu3+:Y2SiO5波导中通过试验验证了该协议,将单光子水平的相干光回波的信噪比提高到了 40 以上,相比于低噪声回波恢复协议提高了近 30 倍。该协议在光子回波的噪声抑制方面展现出了非凡的实力,对于实现高保真度的按需读出具有非常重要的意义26。2 可集成固态光量子存储器件研究进展随着全球化量子网络的发展,开发集成光量子存储器件是一个必然趋势。集成光量子存储器件与其他集成量子信息器件相连接,如量子光源、单光子探测器等,将为多功能量子网络的建设打下坚实基础。由于紧凑性、可扩展性和增强的光-物质相互作用等优势,REIDS 材料成为研究集成固态光量子存储器件的重要候选者。光量子存储器已经在不同集成器件结构中得到了验证,包括掺铒石英光纤、钛扩散铌酸锂波导、飞秒激光直写掺杂波导以及聚焦离子束刻蚀掺杂器件等。2.1 掺铒石英光纤掺铒石英光纤是最早用于通信波段量子存储器的光纤集成器件,其最大的优点在于可与现有的通信基础设施兼容,并且具有超大的可用带宽。自 2015 年以来,W.Tittel 团队27-28致力于掺铒石英光纤波导的量子存储研究,并取得一系列研究成果,包括单光子、纠缠光子存储等,实现的存储总带宽达 18 GHz,最长存储时间为 50 ns,存储的频域模式有 6 个,偏振编码量子比特的存储保真度接近 1。2020 年,W.Tittel 团队29首次实现两个固态量子存储器之间的纠缠,通过将自发参量下转换产生的纠缠光子对分别送至基于Tm3+:LiNbO3晶体波导和掺铒石英光纤固态光量子存储器中,实现存储器间的纠缠保真度达 93%,证明了两个集成固态光量子存储器之间的纠缠。此外,掺铒石英光纤具有大的非均匀展宽,为实现大带宽、多模式存储提供有利条件。2022 年,电子科技大学周强团队30利用稀释制冷提升铒离子的相干性,进一步结合光频梳技术,将掺铒石英光纤的可用存储带宽增加到 50 GHz,并在 5 个频道中分别实现 330 个时域模式存储,总存储模式数达到 1 650 个,是迄今公开报道的最大存储模式数纪录,图 1 为试验中使用的掺铒石英光纤。目前,基于掺铒石英光纤的光量子存储器在存储效率和存储时间方面受到限制,不断提高掺铒石英光纤中铒离子的相干特性,需要研究者们在材料、工艺和试验条件上进行大量的探索和研究工作。图 1 基于掺铒光纤的集成固态光量子存储器件2.2 钛扩散掺杂铌酸锂波导铌酸锂晶体以其成熟的生长技术、优异的光学性能和集成能力,被广泛应用于制造各种集成光学器件。铌酸锂光波导的主要制备过程是利用扩散的方法在其表面形成折射率高于晶体衬底的波导层(一般几微米厚),从而将光场限制在晶体的表面传播。目前,高质量的铌酸锂光波导主要采用氧化锂外扩散、质子交换和钛扩散三种方法制备。其中,钛扩散法制备的铌酸锂光波导传输损耗低,易于与单模光纤耦合。从 1974年美国贝尔实验室 R.Schmidt 等采用钛扩散法制备铌酸锂波导开始,钛扩散波导引起人们广泛的关注,被应用于各种集成化器件的研究。2010 年,W.Tittel团队通过钛扩散制备得到 Ti4+:Tm3+:LiNbO3波导(见图 2),并对其非均匀展宽、相干时间以及塞曼能级64专题:量子信息技术2023 年第 7 期寿命 进 行 了 表 征。2011 年,W.Tittel 团 队 将 Ti4+:Tm3+:LiNbO3波导应用到集成化的光量子存储研究中,实 现 了 大 带 宽 的 纠 缠 光 子 存 储31。2014 年,W.Tittel 团队提出基于多模量子存储器构建高速量子网络的方案,并在 T