实验装置。来源：《科学进展》，doi: 10.1126/sciadv.adf4587

依赖于量子波段集成的量子存储器是用于开发与光纤通信基础设施兼容的量子网络的关键构件。量子工程师和信息技术专家还没有创造出这样一个具有大容量的网络，以形成电信频段的集成多模光子量子存储器。

在《科学进展》（Science Advances）杂志的一篇新报告中，张学英和电子科学、物理和信息技术研究团队描述了在激光写入芯片上以光纤集成多模方式存储电信波段单光子的情况。

该存储装置由掺杂铌酸锂（Er3+:LiNbO3）的光纤尾纤制成，是一个集成了电信波段光纤的片上存储器系统。这项研究的成果为未来基于集成光子器件的量子网络的诞生指明了道路。

光子量子存储器
光的量子态可以可逆地映射到物质上，从而创建光子量子存储器，这是分布式量子网络远距离量子通信的理想选择。

物理学家已将基于光波导的光子量子存储器件与其他集成量子器件（如量子光源、光子电路和单光子探测器）集成在一起，以设计互联的多功能量子架构。在这项工作中，Zhang 等人在基于铌酸锂的波导中开发了一种电信带集成多模存储设备。

他们利用飞秒激光微加工技术设计了激光写入波导，直接耦合到单模光纤尾纤上，并在设置的两侧使用了光学准直器，以促进与光纤通信系统的兼容性。

该团队利用原子频率梳协议开发了一种片上量子存储器系统。通过集成 4 GHz 宽的原子频率梳，研究小组在实验中实现了多模量子存储系统，为形成具有与光纤通信基础设施兼容的存储器的集成量子网络铺平了道路。

Er3+:LiNbO3 波导的制备和校准。来源：《科学进展》，doi: 10.1126/sciadv.adf4587

实验
Zhang 等人利用飞秒激光微加工技术，在掺铒铌酸锂晶体的晶片上制作了 III 型波导，从而设计出了一种星型器件。

该材料的块状晶体将掺杂离子的浓度保持在极小的百分比，从而实现了激光写入波导和单模光纤之间的耦合。科学家们将掺杂的铌酸锂晶体粘在铜制散热器上，散热器上有两个带单模光纤尾纤的光学准直器。

他们将光纤集成装置置于稀释冰箱中，观察到整个低温装置的总光传输频率为 26%。

多模存储
多模存储实验包括生成单光子，以准备基于原子频率梳的量子存储器和测量系统。研究小组在一系列光脉冲的泵送下，在铌酸锂波导模块中通过级联二次谐波产生和自发参量向下转换过程产生相关光子对。

对于单模存储，研究小组使用了持续时间为 300 皮秒的单激光脉冲。科学家们通过超导纳米线单光子探测器探测到了装置中的光子。Zhang 等人利用时间数字转换器分析了该仪器的探测信号。

量子存储器的特征。来源：《科学进展》，doi: 10.1126/sciadv.adf4587

Zhang及其同事将铒（Er3+）离子输送到周期性吸收结构中，例如齿距为5兆赫的原子频率梳，这相当于200纳秒的存储时间。研究小组展示了具有较大时间-带宽乘积的非经典光的存储。

然后，他们将信号光子发送到原子频率梳存储器，并计算了系统的效率。根据存储设备的传输效率和输入光子的光谱滤波，他们计算出了内部存储效率。结果表明，原子频率梳量子存储器保持了单光子纯度和光谱纯度。

这些结果促使 Zhang 等人建立了存储时间为 200 纳秒的片上量子存储器，同时在仪器中建立了可忽略不计的串扰。

预示单光子的 330 种时间模式的量子存储结果。来源：《科学进展》，doi: 10.1126/sciadv.adf4587

展望
通过这种方式，张学英及其同事展示了一种基于激光写入掺铒铌酸锂波导的集成多模量子存储器。该团队实现了 800 的时间-带宽乘积，存储带宽为 4 千兆赫，存储时间为 200 纳秒。

这些宽带多模量子存储成果将为生成高速率量子网络开辟道路。虽然这些成果意义重大，但研究人员认为，要设计出一种功能性设备来促进量子网络的发展，还需要进行一些升级。

目前的方法集成了与光纤电信基础设施兼容的光纤集成设备的可靠性，以提供具有宽带多路复用存储特性的激光写入元件。研究团队希望将光子对源与集成存储器相结合，实现高速率量子中继器协议，从而创建大规模量子网络。

这些成果将有助于实现大容量、可扩展、兼容光纤通信的量子系统，对未来全球量子网络的建设产生影响。

参考资料

Xueying Zhang et al, Telecom-band–integrated multimode photonic quantum memory, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf4587

Christoph Simon, Towards a global quantum network, Nature Photonics (2017). DOI: 10.1038/s41566-017-0032-0