量子存储器是量子网络的核心器件，稀土元素—铒 (Er)具有独特的通信波段光学跃迁，是实现通信波段量子存储器的重要候选材料，对利用现有光纤通信网络构建量子网络有着重要的意义。近日，南京大学马小松、陆延青、祝世宁团队，结合晶体掺杂的同位素铒离子能级的高相干性和氮化硅光量子芯片的窄线宽、高亮度量子纠缠光源，成功实现了通信波段光量子纠缠态的微秒级存储。该工作大幅增加了通信波段纠缠光子的存储时间，超越之前世界纪录两个数量级以上，并且首次实现了光量子芯片光源与量子存储器的对接，有望在规模化量子网络等方面实现重要应用。相关研究工作近期以 “Quantum storage of entangled photons at telecom wavelengths in a crystal” 为题发表在国际学术期刊《Nature Communications》上。

图一：通讯波段量子存储概念图

量子中继协议是实现长距离量子网络的核心技术。根据量子不可克隆原理，量子实验中无法使用经典通信中继补偿光子传输过程中随距离而指数级增加的损耗。量子中继协议利用纠缠光源、量子存储器和纠缠交换等技术，将这一损耗降低至多项式级。为利用成熟的光纤网络和技术实现量子中继协议，纠缠光源和量子存储器的理想工作范围是通信波段。

图二：实验设置图。a)纠缠光源。b)量子存储器。c)纠缠分析仪。

本研究团队基于集成光学技术，使用氮化硅芯片集成的双马赫曾德干涉仪型微环谐振器作为通信波段量子光源，通过四波混频过程激发产生窄线宽、高亮度的纠缠光子对。

更进一步，研究团队使用基于同位素铒掺杂晶体(167Er3 :Y2SiO5)的原子频率梳型量子存储器，实现了对片上微环产生的通信波段纠缠光子的量子存储。通过冻结167Er3 离子的电子自旋、部分极化其核自旋、优化原子频率梳的周期，光子的存储时间被提升至1936 ns，较此前报道的通信波段纠缠光子存储获得了387倍的提升。通过entanglement witness，研究团队证明了光子对之间的纠缠性质在量子存储过程前后得到了保持。

晶体掺杂的同位素铒离子能级的高相干性显著提升了通信波段纠缠光子的存储时间，氮化硅光量子芯片提供了可集成的窄线宽、高亮度纠缠光源。该研究在通信波段将光量子芯片和固态量子存储器相结合，为利用光纤网络实现基于量子中继的长距离量子纠缠网络提供了重要基础。

图三：a)氮化硅芯片上的微环谐振器。b)双光子时间关联表现出长相干时间。c)量子存储器设置不同存储时间(1296~1936ns)，并改变了双光子时间关联。

南京大学物理学院博士研究生姜明浩、薛文奕为文章的共同第一作者，何谦同学、安雨杨同学、郑晓冬同学、徐文杰同学和谢玉波博士对本文亦有重要贡献。南京大学物理学院马小松教授为该文章的通讯作者。南京大学祝世宁院士和陆延青教授对该工作进行深入指导。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术计划、中央高校基础研究基金和量子科学技术创新计划等基金项目的资助。同时这项工作得到了南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、中国科学技术大学量子信息和量子物理协同创新中心和合肥国家实验室的支持。

课题组链接：

http://qoqi.nju.edu.cn/

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42741-1

物理学院报道链接：

https://physics.nju.edu.cn/kxyj/cgsd/20231103/i252666.html