連接到光纖的量子存儲器的圖片。圖片來源：ICFO/ S. Grandi
量子存儲器是未來量子互聯網的基石之一。沒有它們，就不可能遠距離傳輸量子信息並擴展到真正的量子網路。這些記憶的任務是接收以量子比特形式編碼在光子中的量子信息，存儲它，然後檢索它。量子存儲器可以在不同的物質系統中實現，例如冷原子或摻雜晶體的集合。
為了成為有用的存儲器，它們需要滿足幾個要求，例如其存儲能力的效率，持續時間和多路復用，以確保它們將支持的量子通信的質量。另一個已成為大量研究問題的要求是設計可以直接集成到光纖網路中的量子存儲器。
近年來，隨著量子技術的蓬勃發展，已經有很多工作旨在提高現有量子存儲器的可擴展性（使它們更小和/或更簡單的設備），以促進它們在實際工作網路中的集成和部署。這種完全集成的方法帶來了幾個物理和工程障礙，包括找到一種保持良好相干特性的解決方案，提供一個高效穩定的系統將光子從光纖傳輸到量子存儲器，以及量子存儲器控制系統及其與入射光的介面的小型化。所有這些都應該在達到與「標準」批量版本的設備相同的性能水平時執行。到目前為止，這已被證明是具有挑戰性的，目前光纖集成量子存儲器的實現與批量存儲器中所能達到的相去甚遠。
有了這些目標，在最近發表在《科學進展》上的一項工作中，ICFO研究人員Jelena Rakonjac，Dario Lago-Rivera，Alessandro Seri和Samuele Grandi，由ICFO Hugues de Riedmatten的ICREA教授領導，與IFN-CNR的Giacomo Corrielli和Roberto Osellame以及赫瑞瓦特大學的Margherita Mazzera合作，已經能夠證明光纖集成量子存儲器和電信波長光子之間的糾纏。
特殊的量子存儲器
在他們的實驗中，研究小組使用了摻雜有鐠的晶體作為他們的量子記憶。然後，波導被激光寫入存儲器中。這是晶體內的微米級運河，它將光子限制並引導在狹小的空間內。然後將兩根相同的光纖連接到晶體的兩側，以在攜帶量子信息的光子和存儲器之間提供直接介面。這種實驗設置使量子存儲器和光子源之間實現了全光纖連接。
為了證明這種集成的量子存儲器可以存儲糾纏，該團隊使用了糾纏光子對的來源，其中一個光子與存儲器兼容，而另一個光子處於電信波長。通過這種新穎的設置，他們能夠存儲從2 μs到28 μs的光子，並在存儲後保持光子對的糾纏。獲得的結果是一個重大改進，因為該團隊顯示的糾纏存儲時間比迄今為止使用的任何其他先前光纖集成設備長1，000倍（三個數量級），接近在批量量子存儲器中觀察到的性能。
這要歸功於該設備的完全集成特性，它允許使用比以前實現的更複雜的控制系統。最後，由於糾纏在量子存儲器中存儲的可見光子和電信波長的可見光子之間共享，因此該團隊還證明該系統與電信基礎設施完全兼容，適用於遠距離量子通信。
這種類型的集成量子存儲器的演示開闢了許多新的可能性，特別是在多路復用，可擴展性和進一步集成方面。正如Jelena Rakonjac所強調的那樣，「這個實驗給了我們很大的希望，因為我們設想可以在一個晶體中製造許多波導，這將允許許多光子同時存儲在一個小區域中，並最大化量子存儲器的能力特徵。由於該器件已經是光纖耦合的，因此它也可以更容易地與其他基於光纖的組件介面。
Hugues de Riedmatten總結說：「我們對這一結果感到興奮，它為光纖集成存儲器開闢了許多可能性。顯而易見的是，這種特殊的材料和產生波導的方式使我們能夠實現接近大量記憶的性能。將來，將存儲擴展到自旋狀態將允許按需檢索存儲的光子，並導致我們一直瞄準的長存儲時間。這種光纖集成的量子存儲器無疑顯示出未來在量子網路中使用的巨大前景。
更多信息：Jelena V. Rakonjac等人，光纖集成系統中光物質糾纏的存儲和分析，科學進展（2022）。DOI： 10.1126/sciadv.abn3919
期刊信息：科學進展
