北京
来源：科技日报
如何让飞驰的光子在微芯片上“停下来”，一直是量子信息处理领域的一项难题。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校科学家开发出一种新型片上光存储平台，可将光子存储超过1微秒，还能同时存储多个光子。这项技术有望为量子存储器的规模化制造开辟新路径，推动量子信息处理技术发展。相关研究发表于新一期《纳米快报》杂志。
可视化示意图。图源：《纳米快报》杂志
要通过光子传输量子信息，在实际操作中，光子需要被暂停，也就是被“存储”起来，以等待速度较慢的其他量子操作完成。在尺寸仅约1厘米的微芯片上实现这种存储尤其困难，因为光通过这一距离只需几万亿分之一秒。如果能将光子存储1微秒，将为量子芯片处理信息争取更多时间。
过去，科学家通过延长光纤中的传播路径来延迟光子，让光多“走”一段路。但光子在传播过程中容易被吸收，路程越长，损失的风险越大。他们也尝试利用原子存储光子，但很难把这种方法应用于可批量制造的微芯片。
此次，研究团队找到了一种新方法。他们在一种名为薄膜铌酸锂的材料上制造出微小的光传输通道，并在其中加入铒原子。光可以沿着通道传播，铒原子则能帮助暂时留住光子。薄膜铌酸锂能够有效限制光的传播范围，减少光能损失，也适合在整片晶圆上制造大量器件。
为了让铒原子留住光子，研究团队用可调谐激光器对铒原子的响应频率进行精细调节，让它们形成一系列间隔均匀的频率峰，排列得像一把梳子，这种方式被称为“原子频率梳”。光子进入器件后，这些经过特殊排列的原子能够让光子暂时停留，并在预定时间后将其释放出来。
实验表明，该器件的光子存储时间超过1微秒，同时能够以较高保真度保存量子信息，还能一次存储多个光子。与依赖复杂定制设备的传统方案相比，这一平台结构相对简单，具有规模化制造潜力。
研究团队表示，这一平台有望推动量子存储器与芯片量子计算机、量子通信网络的集成。不过，要实现实际应用，还需要进一步提高光子的读取效率并延长存储时间。接下来，团队计划改进原子频率梳，并尝试使用抗噪声能力更强的铒同位素，以提升器件性能。
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