【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子網絡核心器件上取得重要突破。該團隊李傳鋒、周宗權研究組基于創新的“阻抗匹配微腔”量子存儲架構，研制出效率高達80.3%、體積僅4×10?? mm³的固態量子存儲器，效率創世界紀錄，且體積較現有器件縮小上千倍。該成果2月11日發表在國際知名學術期刊《自然·光子學》。
光量子存儲器是構建量子中繼和未來量子互聯網的核心器件，直接決定量子網絡的規模與速率。其中，50%的存儲效率被稱為“非克隆界限”，超過這一界限意味著可利用的光子多于丟失的光子，是器件邁向實際應用的關鍵閾值。在以往研究中，為了實現高存儲效率，研究人員普遍依賴增大介質尺寸來增強光吸收能力，導致器件體積龐大(0.1 mm³-10? mm³量級)，制約了其規?；膳c應用。
面對這一挑戰，中國科大團隊獨辟蹊徑，構建了基于“阻抗匹配微腔”的全新量子存儲架構。研究團隊基于摻銪硅酸釔晶體設計了兩種新型的微腔增強量子存儲器：一種是利用激光在晶體內部雕刻光波導，鍍膜形成波導腔；另一種則將晶體薄膜耦合開放式的光纖微腔。
該架構的創新之處在于摒棄了傳統的“以體積換性能”思路，而是通過微腔的光干涉效應實現對光子的完美吸收。當微腔透過率與稀土離子吸收率相等(即阻抗匹配)時，僅需200微米厚的晶體薄膜即可近乎完美地捕獲單個光子。這一尺寸與頭發絲的直徑相當，整個存儲裝置的體積僅4×10-5mm3。該微型量子存儲裝置最終實現了80.3%的單光子存儲效率，并且在突破50%效率閾值的條件下，實現了20個時間模式的并行存儲。
該成果一舉打破保持了16年的固態量子存儲效率世界紀錄(69%)，并同步將器件體積縮小上千倍，成功解決了長期以來“高效率”與“小體積”難以兼得的技術難題。這為實現高速量子中繼、大容量可移動存儲及規?；孔泳W絡奠定了關鍵基礎。審稿人對此給予高度評價：“Both cavity-enhanced memory efficiencies exceeded the 50% no-cloning threshold, representing a major milestone in integrated photonic quantum memories. These results set a new bar for photonic quantum memory technology, especially in a small device form factor enabling scalable manufacturing and high memory capacity.”(兩種腔增強存儲的效率都超過了50%的非克隆界限，這是集成光量子存儲領域的重大里程碑。這一成果為光量子存儲技術樹立了新標桿，其小型化的器件形態尤為關鍵，為規?；圃炫c大容量存儲奠定了基礎。)”。“While they achieve record efficiencies…they also demonstrate several essential and useful features, including the storage of non-classical light, temporal multiplexing, on demand recall, and the possibility of spectral multiplexing, with efficiencies higher than the 50 % threshold.”(他們不僅實現了破紀錄的存儲效率…還展示了多項關鍵而實用的功能，包括量子光場存儲、時域復用、按需讀取以及頻譜復用能力，且效率均高于50%閾值。)
該成果由博士后靳明、博士生孟若然、劉肖副研究員完成光纖微腔存儲實驗，博士生劉沛希和朱天翔副研究員完成波導腔存儲實驗，博士后梁澎軍生長高質量摻銪硅酸釔晶體，張超特任教授制備窄線寬量子光源。研究工作得到了合肥國家實驗室、國家自然科學基金委以及中國科學院的資助。周宗權得到中國科學院青年創新促進會優秀會員的資助。
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