近日，电子科技大学Xueying Zhang在Science上发表了题为“ Telecom-band–integrated multimode photonic quantum memory”的综述文章。论文报告了激光写入芯片上电信频段单光子的光纤集成多模量子存储。

作者详细介绍了全光纤寻址存储器系统使用电信频段光纤集成和片上组件执行。这些结果代表了未来使用集成光子学器件的量子网络的重要一步 。     

引言

光子量子存储器，如光波导，是基于量子中继器的远距离量子通信和分布式量子网络所必需的组件。稀土离子掺杂的光波导由于紧凑性、可扩展性和增强的光-物质相互作用，成为在芯片上开发量子存储器设备的优秀候选者。为了开发出适用于实际集成量子存储的光纤集成量子芯片，必须实现在通信波段的多模容量。

在这里，作者展示了在Er3+：LiNbO3波导中实现的通信波段集成多模存储。多模量子存储系统基于原子频率梳（AFC）协议，与单模相比，实现了167倍的符合检测速率增加。

结果

通过FEM制备了Er3+：LiNbO3晶体晶片中的III型波导（43），并通过两个带单模光纤尾纤的光学准直器与单模光纤耦合。波导放置在温度为13 mK的稀释冰箱中。作者测量了Er3+离子在4I15/2 <unk> 4I13/2跃迁处的吸收光谱，并通过测量光谱孔燃烧来表征Er3+离子的塞曼亚能级寿命。图1E显示了中心光谱孔深度随时间延迟变化的衰减，其拟合为双指数多项式曲线，并且晶格中存在两类具有不同核自旋弛豫时间的Er3+离子。在实验中，作者测量了不同磁场下的侧向孔失调。由7Li引起的侧向孔具有20 MHz的失调，并与具有5 MHz齿距的AFC的透明区域重合。

图1. Er3+:LiNbO3波导的制备和校准 

作者通过级联的二次谐波产生（SHG）和自发参量降频（SPDC）过程，在由一系列在1540.60 nm处的光脉冲泵浦的光纤尾纤周期极化LiNbO3（PPLN）波导模块中产生了被引发的单光子。一对光子分裂成信号光子和诱导光子，信号光子由超导纳米线单光子探测器检测。信号光子被映射到Er3+：LiNbO3波导中的一个4 GHz宽的AFC上。

信号光子在经过预定时间的1/（其中）后，由一个SNSPD召回，以避免用于AFC准备的泵浦光损坏SNSPD，并确保所召回的光子不会受到来自激发态原子自发衰变产生的噪声光子的污染。

图2.实验设置

作者将Er3+离子的4 GHz宽非均匀宽带轮廓调整成周期吸收结构，即AFC，并演示了具有大时间带宽乘积高达800（4 GHz 200 ns）的非经典光的存储。内部存储效率计算为2.83 ± 0.03%。

对于相关光子对源，g_s;2i的值为23.41 ± 0.04，远远超过了经典极限2（50, 51）和图3C中的蓝色虚线。作者测量了AFC量子存储中信号光子的引发二阶自相关函数和未引发二阶自相关函数，以证明AFC量子存储保留了相关光子对的非经典特性。

图3.量子记忆的表征

作者建立了一个具有200 ns存储时间的芯片上量子存储器的多个时间模式操作。测得的双重符合检测率在存储前后分别为49904.49 ± 7.06%和326.70 ± 0.57%。作者测量了AFC量子存储之前和之后330对相关时间模式之间的二阶互关联函数，并发现所有存储模式的非经典特性仍然保持。不同时间模式之间的串扰可以忽略不计。

讨论

作者展示了基于激光书写的Er3+：LiNbO3波导的多模量子存储器。该存储器可以存储在1532 nm处的330个时间模式的单光子，与单模相比，符合检测率增加了167倍。

图4.量子存储330个示踪单光子的时间模式的结果

尽管取得了这些重要结果，但在朝着量子网络的功能性设备迈进时，仍需要进行几项升级，比如使用超稳定激光系统来准备AFC，并优化Er3+离子的掺杂浓度。由93Nb引起的侧向孔可能会影响AFC存储器的性能。通过将准备的AFC的透明区域与侧向孔重合，并施加优化磁场，可以消除这种影响。为了避免Er3+：LiNbO3量子存储器中的侧向孔效应，可以实施其他协议或实现具有特定存储时间的AFC。此外，还可以在芯片上集成一个匹配阻抗的微腔，用于实现按需召回的电极。为了实现更大的容量，可以通过在晶体中制作多个波导，将多个自由度组合到量子存储器中。

总之，作者的方法将与光纤通信基础设施兼容的光纤集成设备、宽带多路复用存储属性以及有前景的激光书写组件结合起来，以实现面向大规模量子网络的高速量子中继协议。

材料与方法

作者使用FLM技术在Er3+：LiNbO3晶片中制备了III型波导。波导是由一个1031 nm、脉冲宽度400 fs、频率25 kHz的光纤飞秒激光器制备的，并且使用显微物镜将飞秒激光聚焦在样品表面上。为了实现与光纤通信基础设施兼容的芯片上量子存储器，两个光学准直器与波导耦合。耦合效率是通过使用1570 nm处的激光光线测量的，并且当传输达到最大值时，两个光学准直器被粘在热沉上。将带有光纤尾纤的器件冷却至13 mK后，总传输效率下降到26%。为了提高传输效率，需要优化波导的辐射配方。

AFC量子存储器

使用激光书写的Er3+：LiNbO3波导被冷却至稀释冰箱中的13 mK，然后通过由任意波形发生器驱动的锂铌酸盐PM进行频率调制，创建了一个4 GHz宽的AFC存储器。为确保所召回的光子不受噪声光子的污染，光泵浦后应用了20毫秒的等待时间，信号光子的存储和召回需要280毫秒。

引发的单光子源

作者通过级联的SHG和SPDC过程对一个带有光纤尾纤的PPLN波导模块进行激光脉冲串的泵浦，然后使用一个99:1分束器与光电探测器相结合，获得一个反馈电信号给强度调制器。利用测量二阶互关联函数g_s;2i(t)来研究诱导光子和信号光子之间的关联。光谱纯度通过测量信号光子的未引发的二阶自相关函数来表征。在所有测量中，符合窗口宽度为600皮秒，集成测量时间为1000秒，时间箱宽度为10皮秒，时间箱宽度为100皮秒。