中國科大制備出高性能可集成固態量子存儲器

　　【儀表網 儀表研發】中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子存儲領域取得新進展。該團隊李傳鋒、周宗權等人采用飛秒激光微加工技術制備出高保真度的可集成固態量子存儲器，并基于自主研制設備實現稀土離子的電子自旋及核自旋相干壽命的全面提升。
 

　　電子自旋是電子的基本性質之一。電子內稟運動或電子內稟運動量子數的簡稱。1925年G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受到泡利不相容原理的啟發，分析原子光譜的一些實驗結果，提出電子具有內稟運動——自旋，并且有與電子自旋相聯系的自旋磁矩。由此可以解釋原子光譜的精細結構及反常塞曼效應 。電子的自旋角動量如圖，式中電子自旋S= 1/2。1928年P.A.M.狄拉克提出電子的相對論波動方程，方程中自然地包括了電子自旋和自旋磁矩。電子自旋是量子效應，不能作經典的理解，如果把電子自旋看成繞軸的旋轉，則得出與相對論矛盾的結果。
 

　　量子存儲器是構建量子網絡的核心器件，它可以有效地克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離并且可以整合分處異地的量子計算及量子傳感資源。當前固態量子存儲器研究面臨兩方面的挑戰，一方面，已有的固態量子存儲實驗使用的存儲介質大多是塊狀晶體，這種材料不能直接對接光纖網絡或集成光學芯片，難以實現大規模擴展性應用。
 

　　另一方面，稀土離子的電子自旋及核自旋與晶體內聲子相互作用，導致量子存儲器的相干壽命嚴重受限。為了推進量子存儲器的實用化，研究組從材料加工與測試裝備著手對以上問題展開系統性研究。稀土是化學周期表中鑭系元素和鈧、釔共十七種金屬元素的總稱。自然界中有250 種稀土礦。早發現稀土的是芬蘭化學家加多林(John Gadolin)。1794 年，他從一塊形似瀝青的重質礦石中分離出第一種稀土“元素”(釔土，即Y2O3)。因為18世紀發現的稀土礦物較少，當時只能用化學法制得少量不溶于水的氧化物，歷史上習慣地把這種氧化物稱為“土”，因而得名稀土。
 

　　為解決擴展性問題，研究組采用飛秒激光微加工技術在摻銪硅酸釔晶體中刻蝕出光波導，研制出可集成的固態量子存儲器。波導區域距晶體表面150微米，波導寬度為20微米，可以與其他微納電子學及微納光學器件進行集成加工。由于波導區域內的光場功率密度高，實驗所需的控制激光功率相比塊狀晶體所需功率下降了約30倍。實驗中演示了原子頻率梳(AFC)以及低噪聲回波恢復(ROSE)兩種光量子存儲方案，并通過參考光信號與存儲器讀出光信號之間的干涉，測定了存儲保真度。兩種方案對應的保真度分別超過99%和97%，表明這種可集成量子存儲器具有很高的可靠性。
 

　　針對相干壽命受限的問題，一個有效解決方案是構造深低溫(<0.5K)的脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀(ENDOR)，從而減少聲子并極化電子自旋。由于傳統的商用ENDOR 系統內熱負載很高，其工作溫度一般無法低于4K，此前學術界普遍認為深低溫 ENDOR 是個無法實現的任務。研究組在解決了系列技術難題后，成功搭建出深低溫脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀，并嚴格標定其低工作溫度為0.1K。在0.1K溫度下，測得摻釹硅酸釔晶體的自旋回波信號的信噪比相比4K溫度下提升了20倍，電子自旋的布居數壽命和相干壽命分別達到15秒和2毫秒，同時核自旋的布居數壽命和相干壽命則分別達到10分鐘和40毫秒，這四項壽命指標相比4K溫度下均實現超過一個數量級的提升。
 

　　Optica 審稿人評價：“這個工作非常重要，它演示了實驗技術以及方案的多樣性，證明稀土摻雜晶體中刻蝕的光波導在量子信息領域中是一個非常有前景的平臺。”
 

　　Physical Review Applied 審稿人評價：“這些測量是基于作者研制的一個mK 級別溫度的ENDOR 譜儀實現的，這是一個上稀有的裝備……這一設備使得一些物理系統可以實現更精確的譜分析，進入一個前人難以達到的溫度區間。”“從4K到100mK，電子自旋及核自旋的相干壽命都實現超過一個數量級的提升。這是在稀土離子中通過深低溫觀察到自旋相干壽命的顯著增強。”
 

　　資料來源：中國科學技術大學、百科