图：实验设置。
依赖于量子频带集成的量子存储器是开发与光纤通信基础设施兼容的量子网络的关键组成部分。量子工程师和信息技术专家们还没有创造出这样一个大容量的网络，可以在通信频段形成集成的多模光子量子存储器。
在Science Advances的一篇新报告中，Xueying Zhang 和研究团队描述了激光直写芯片上的通信频段单光子的光纤集成多模存储。
采用光纤尾纤掺铒(Er3+)铌酸锂(Er3+:LiNbO3)制成的存储器件，提供了一种与电信波段光纤集成片上元件集成的存储系统。这项研究的结果强调了基于集成光子学设备的未来量子网络的形成潜力。
光子量子存储器
光的量子态可以可逆地映射到物质上，以创建光子量子存储器，这是跨分布式量子网络进行远距离量子通信的理想选择。
物理学家将基于光波导的光子量子存储器件与其他集成量子器件(如量子光源、光子电路和单光子探测器)集成在一起，以设计互连的多功能量子体系结构。在这项工作中，Zhang等人开发了一种基于铌酸锂波导的电信频段集成多模存储设备。
他们设计的激光写入波导采用飞秒激光微加工直接耦合到单模光纤尾纤，通过在装置的两侧使用光学准直器，以促进与光纤通信系统的兼容性。
该团队开发了一种使用原子频率梳协议的片上量子存储系统。4 ghz宽原子频率梳的集成使该团队能够实验性地实现多模量子存储系统，为形成具有与光纤通信基础设施兼容的存储器的集成量子网络铺平了道路。
图：Er3+：LiNbO3波导的制备与校准。
实验
Zhang等人利用飞秒激光微加工技术，在掺铒铌酸锂晶体晶圆上制作了III型波导，设计了一种存储装置。
该材料的块状晶体将掺杂离子的浓度维持在极小百分比，并允许激光写入波导和单模光纤之间的耦合。科学家们将掺杂的铌酸锂晶体粘在带有两个单模光纤辫的光学准直器的铜散热器上。
他们将光纤集成装置放在稀释冰箱中，观察到整个低温装置的总光传输频率为26%。
多模存储
多模存储实验包括产生单光子，制备基于原子频率梳的量子存储和测量系统。研究小组通过一系列光脉冲泵浦的铌酸锂波导模块中的级联二次谐波产生和自发参数下转换过程产生相关光子对。
对于单模存储，该团队使用了持续时间为300皮秒的单激光脉冲。科学家们通过超导纳米线单光子探测器在装置中探测光子。Zhang等人利用时间-数字转换器对该仪器的检测信号进行分析。
Zhang和他的同事们将铒(Er3+)离子输送到一个周期性吸收结构中，比如齿间距为5 MHz的原子频率梳，这相当于200纳秒的存储时间。该团队展示了具有大时间带宽乘积的非经典光的存储。
然后，他们将信号光子发送到原子频率梳存储器，并计算系统的效率。基于存储器件的传输效率和输入光子的光谱滤波，他们计算了内部存储效率。结果表明，原子频率梳的量子存储器保持了单光子纯度和光谱纯度。
这些结果使得Zhang等人建立了一种存储时间为200纳秒的片上量子存储器，同时在仪器中建立了可以忽略不计的串扰。
前景
通过这种方式，展示了一种基于激光写入掺铒铌酸锂波导的集成多模量子存储器。该团队实现存储带宽为4 GHz，存储时间为200纳秒。
这些在宽带多模量子存储方面的成果将为产生高速率量子网络开辟道路。虽然这些结果很重要，但研究人员认为，要设计出一个功能齐全的设备来促进量子网络，还需要进行几次升级。
目前的方法集成了与光纤电信基础设施兼容的光纤集成设备的可靠性，以提供具有宽带多路复用存储特性的有前途的激光写入组件。研究小组希望将光子对源与集成存储器结合起来，实现高速率量子中继器协议，从而创建大规模量子网络。
这些成果将有助于实现具有大容量、可扩展性和光纤通信兼容性的量子系统，对未来的影响和全球量子网络的构建。
