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研究人员报告了光纤集成量子存储器和通信波长光子之间纠缠的实验演示。
来自ICFO、IFN-CNR和Heriot Watt大学的研究人员在《Science Advance》上的报告了光纤集成量子存储器和电信波长光子之间纠缠的实验演示。
量子存储器是未来量子互联网的组成部分之一。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。这些存储器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材料系统中实现，例如冷原子群或掺杂晶体。
可以实际应用的存储器需要满足几个要求，例如存储能力的效率、持续时间和多路复用，以确保它们支持的量子通信的质量。另一个需要大量研究的问题是设计可以直接集成在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，人们开展了大量工作来提高现有量子存储器（使其更小和/或更简单）的可扩展性，以促进其在实际工作网络中的集成和部署。这种完全集成的方法存在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，以及量子存储器的控制系统及其与入射光的接口的微型化。所有这些都应该进行标准化模块化。到目前为止，这极具挑战性，目前光纤集成量子存储器的实现远未达到模块化存储器的水平。
在这些目标明确的情况下，研究人员已经能够证明光纤集成量子存储器和通信波长光子之间的纠缠。
一种特殊的量子存储器
在他们的实验中，研究小组使用掺镨的晶体作为量子存储器。然后在存储器中激光写入波导。这是晶体内的微米级通道，将光子限制和引导在一个狭小的空间中。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。该实验装置实现了量子存储器和光子源之间的全光纤连接。
为了证明这种集成量子存储器可以存储纠缠，该团队使用了一个纠缠光子对源，其中一个光子与存储器兼容，而另一个光子位于电信波长。通过这种新的设置，他们能够存储从2µs到28µs的光子，并在存储后保留光子对的纠缠。由于团队显示的纠缠存储时间比迄今为止使用的任何其他光纤集成器件长（三个数量级），并且接近在体量子存储器中观察到的性能，因此获得的结果具有重大改进。由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，由于存储在量子存储器中的可见光子和电信波长的光子之间的纠缠，该团队还证明了该系统与电信基础设施完全兼容，适用于远程量子通信。
这种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作多个波导，这将允许在一个小区域中同时存储多个光子，并最大限度地发挥量子存储器的性能特征。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连接。”
Hugues de Riedmaten最后指出“我们对这一结果感到兴奋，它为光纤集成存储器打开了许多可能性。很明显，这种特殊的材料和制作波导的方式使我们能够实现接近大容量存储器的性能。未来，将存储扩展到自旋态将允许按需检索存储的光子，并实现我们一直致力于实现的较长存储时间、 这种光纤集成量子存储器在量子网络中的应用前景广阔。"
图：实验装置示意图
[1] Jelena V. Rakonjac, Giacomo Corrielli, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri, Margherita Mazzera, Samuele Grandi, Roberto Osellame, Hugues de Riedmatten. Storage and analysis of light-matter entanglement in a fiber-integrated system. Science Advances, 2022; 8 (27) DOI: 10.1126/sciadv.abn3919
