连接到光纤的量子存储器的图片。图片来源：ICFO/ S. Grandi
量子存储器是未来量子互联网的基石之一。没有它们，就不可能远距离传输量子信息并扩展到真正的量子网络。这些记忆的任务是接收以量子比特形式编码在光子中的量子信息，存储它，然后检索它。量子存储器可以在不同的物质系统中实现，例如冷原子或掺杂晶体的集合。
为了成为有用的存储器，它们需要满足几个要求，例如其存储能力的效率，持续时间和多路复用，以确保它们将支持的量子通信的质量。另一个已成为大量研究问题的要求是设计可以直接集成到光纤网络中的量子存储器。
近年来，随着量子技术的蓬勃发展，已经有很多工作旨在提高现有量子存储器的可扩展性（使它们更小和/或更简单的设备），以促进它们在实际工作网络中的集成和部署。这种完全集成的方法带来了几个物理和工程障碍，包括找到一种保持良好相干特性的解决方案，提供一个高效稳定的系统将光子从光纤传输到量子存储器，以及量子存储器控制系统及其与入射光的接口的小型化。所有这些都应该在达到与“标准”批量版本的设备相同的性能水平时执行。到目前为止，这已被证明是具有挑战性的，目前光纤集成量子存储器的实现与批量存储器中所能达到的相去甚远。
有了这些目标，在最近发表在《科学进展》上的一项工作中，ICFO研究人员Jelena Rakonjac，Dario Lago-Rivera，Alessandro Seri和Samuele Grandi，由ICFO Hugues de Riedmatten的ICREA教授领导，与IFN-CNR的Giacomo Corrielli和Roberto Osellame以及赫瑞瓦特大学的Margherita Mazzera合作，已经能够证明光纤集成量子存储器和电信波长光子之间的纠缠。
特殊的量子存储器
在他们的实验中，研究小组使用了掺杂有镨的晶体作为他们的量子记忆。然后，波导被激光写入存储器中。这是晶体内的微米级运河，它将光子限制并引导在狭小的空间内。然后将两根相同的光纤连接到晶体的两侧，以在携带量子信息的光子和存储器之间提供直接接口。这种实验设置使量子存储器和光子源之间实现了全光纤连接。
为了证明这种集成的量子存储器可以存储纠缠，该团队使用了纠缠光子对的来源，其中一个光子与存储器兼容，而另一个光子处于电信波长。通过这种新颖的设置，他们能够存储从2 μs到28 μs的光子，并在存储后保持光子对的纠缠。获得的结果是一个重大改进，因为该团队显示的纠缠存储时间比迄今为止使用的任何其他先前光纤集成设备长1，000倍（三个数量级），接近在批量量子存储器中观察到的性能。
这要归功于该设备的完全集成特性，它允许使用比以前实现的更复杂的控制系统。最后，由于纠缠在量子存储器中存储的可见光子和电信波长的可见光子之间共享，因此该团队还证明该系统与电信基础设施完全兼容，适用于远距离量子通信。
这种类型的集成量子存储器的演示开辟了许多新的可能性，特别是在多路复用，可扩展性和进一步集成方面。正如Jelena Rakonjac所强调的那样，“这个实验给了我们很大的希望，因为我们设想可以在一个晶体中制造许多波导，这将允许许多光子同时存储在一个小区域中，并最大化量子存储器的能力特征。由于该器件已经是光纤耦合的，因此它也可以更容易地与其他基于光纤的组件接口。
Hugues de Riedmatten总结说：“我们对这一结果感到兴奋，它为光纤集成存储器开辟了许多可能性。显而易见的是，这种特殊的材料和产生波导的方式使我们能够实现接近大量记忆的性能。将来，将存储扩展到自旋状态将允许按需检索存储的光子，并导致我们一直瞄准的长存储时间。这种光纤集成的量子存储器无疑显示出未来在量子网络中使用的巨大前景。
更多信息：Jelena V. Rakonjac等人，光纤集成系统中光物质纠缠的存储和分析，科学进展（2022）。DOI： 10.1126/sciadv.abn3919
期刊信息：科学进展
