魏世海 張雪瑩 廖金宇 樊博宇 范云茹 周強(qiáng)

(電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院,成都 610054)

0 引言

量子網(wǎng)絡(luò)[1-3]將實(shí)現(xiàn)許多革命性的應(yīng)用,包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量[4-8]等。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的量子互聯(lián),光子被認(rèn)為是最適合的量子信息載源,它不僅有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,還便于進(jìn)行量子信息編碼。盡管通過(guò)光纖直接傳輸光子并完成量子信息應(yīng)用的最長(zhǎng)距離已經(jīng)達(dá)到1 000 km[9],但是光子損耗隨量子通道距離呈指數(shù)增加,進(jìn)一步增加光子的傳輸距離仍然具有挑戰(zhàn)性。克服距離限制的有效方法之一是量子中繼方案[10],它將傳輸通道劃分為多個(gè)短距離鏈路,即基礎(chǔ)鏈路,并通過(guò)量子糾纏交換在基礎(chǔ)鏈路之間建立量子糾纏聯(lián)接[11-12]。量子中繼方案的實(shí)現(xiàn)依賴于使用光量子存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)不同基礎(chǔ)鏈路間的時(shí)間同步。因此,發(fā)展大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的主要挑戰(zhàn)之一是研制高性能的光量子存儲(chǔ)器件[13]。

近年來(lái),人們致力于在各種量子材料中實(shí)現(xiàn)高性能的量子存儲(chǔ),包括單粒子[14]、原子氣體[15]和稀土離子摻雜固態(tài)(Rare-Earth Ions Doped Solid-State,REIDS)材料[16-17]等。每個(gè)材料體系在某些指標(biāo)上具備一些性能優(yōu)勢(shì),然而考慮到實(shí)際應(yīng)用中對(duì)器件的可擴(kuò)展性要求,可集成的光量子存儲(chǔ)器件對(duì)大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)至關(guān)重要。在發(fā)展集成光量子存儲(chǔ)器件方面,使用REIDS材料的技術(shù)路線具有以下顯著特點(diǎn)：一方面,大部分光量子存儲(chǔ)協(xié)議都可以在REIDS材料的器件中實(shí)現(xiàn);另一方面,RIEDS材料制備的器件可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、高效率、高保真、大帶寬和多模式的光量子存儲(chǔ),還可以直接實(shí)現(xiàn)片上制備,甚至能與其他片上功能器件直接結(jié)合[18],例如可以將片上光量子存儲(chǔ)與量子光源、單光子探測(cè)集成構(gòu)成功能全面的量子信息器件。目前,已經(jīng)有多種方法來(lái)制備集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件,包括摻鉺石英光纖方案、鈦擴(kuò)散摻雜鈮酸鋰波導(dǎo)方案、激光直寫(xiě)摻雜波導(dǎo)方案和聚焦離子束刻蝕摻雜器件方案。本文在介紹常用固態(tài)量子存儲(chǔ)協(xié)議的基礎(chǔ)上,總結(jié)集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件最新研究進(jìn)展,并對(duì)集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)件的特點(diǎn)、潛力和未來(lái)挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。

1 固態(tài)量子存儲(chǔ)協(xié)議簡(jiǎn)介

光量子存儲(chǔ)的本質(zhì)是通過(guò)光與物質(zhì)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)光子波包相干性的輸入、存儲(chǔ)和讀取。在過(guò)去二十年,光量子存儲(chǔ)器已經(jīng)在多種物理體系中得到實(shí)現(xiàn),包括REIDS材料、NV色心(Nitrogen-Vacancy Center)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、單原子、光機(jī)械振子、熱原子系綜、冷原子系綜等。所采用的光量子存儲(chǔ)協(xié)議包括電磁誘導(dǎo)透明協(xié)議(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)、原子頻率梳協(xié)議(Atomic Frequency Combs,AFC)、光子回波協(xié)議(Photon Echo,PE)等。

1.1 電磁誘導(dǎo)透明協(xié)議(EIT)

EIT最早由美國(guó)斯坦福大學(xué)S.Harris等[19]在1991年觀測(cè)到的物理現(xiàn)象,即在控制光的作用下,原子對(duì)光的吸收變得透明或者吸收大幅減小。隨后,這一現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用于光量子存儲(chǔ)中。EIT存儲(chǔ)的一個(gè)必要條件是原子系綜存在Λ型的能級(jí)結(jié)構(gòu)。探測(cè)光,即信號(hào)光與基態(tài)到激發(fā)態(tài)躍遷共振,在進(jìn)入介質(zhì)之前用控制光將原子系綜初始化,也就是應(yīng)用一束與基態(tài)|g〉到自旋能級(jí)躍遷|s〉共振的強(qiáng)控制光將所有原子轉(zhuǎn)移至基態(tài)形成透明窗口。在信號(hào)光進(jìn)入存儲(chǔ)介質(zhì)以后關(guān)閉控制光,介質(zhì)的透明窗口消失,探測(cè)光被介質(zhì)吸收并以相干態(tài)的形式存儲(chǔ)在自旋能級(jí)上。在存儲(chǔ)一段時(shí)間后,再次將控制光打開(kāi),探測(cè)光則從自旋能級(jí)重新回到基態(tài)并輻射出光子。2013年,德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)T.Halfmann團(tuán)隊(duì)[20]在Pr3+：Y2SiO5晶體中實(shí)現(xiàn)了基于EIT的存儲(chǔ),存儲(chǔ)時(shí)間超過(guò)了1 min。EIT存儲(chǔ)協(xié)議的缺點(diǎn)在于透明窗口的帶寬在兆赫茲量級(jí),難以實(shí)現(xiàn)比透明窗口帶寬更大的寬帶存儲(chǔ)。

1.2 原子頻率梳協(xié)議(AFC)

AFC由瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)N. Gisin團(tuán)隊(duì)[21]于2009年提出。與EIT不同,AFC最大的優(yōu)勢(shì)在于可以充分利用具有非均勻展寬的原子系綜,實(shí)現(xiàn)寬帶以及多模式存儲(chǔ)。通過(guò)使用泵浦激光對(duì)原子系綜的非均勻展寬做頻率選擇性光學(xué)泵浦,形成一系列頻率間隔為Δ的梳狀結(jié)構(gòu),不需要的原子從基態(tài)|g〉的泵浦到激發(fā)態(tài)|e〉后進(jìn)一步退相干演化到輔助能級(jí)|aux〉上。當(dāng)與原子系綜的躍遷能級(jí)共振的信號(hào)光子進(jìn)入到所制備的AFC中被吸收后,生成Dicke態(tài),具體如下。

(1)

其中,N為原子數(shù),|gj〉和|ej〉代表原子j的基態(tài)和激發(fā)態(tài),|zj〉代表原子j的位置,K代表光場(chǎng)的波數(shù),幅度cj依賴于原子j的頻率和空間的位置,δj代表第j個(gè)原子相對(duì)于輸入光子的頻率失諧量。吸收光子后,該集體Dicke態(tài)將快速退相干,不同模式之間產(chǎn)生不同的頻率失諧。由于這種周期性的吸收峰結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)1/Δ時(shí)間后,不同模式之間的相對(duì)相位重新歸零,從而發(fā)射出光子回波信號(hào)。由于AFC結(jié)構(gòu)的特殊性,它的存儲(chǔ)時(shí)間是預(yù)先設(shè)定好的,即固定存儲(chǔ)時(shí)間。為了解決固定存儲(chǔ)時(shí)間問(wèn)題,后續(xù)發(fā)展出一系列按需存儲(chǔ)方案,如自旋波存儲(chǔ)協(xié)議(Spin-Wave AFC)和斯塔克協(xié)議(Stark AFC)?；贏FC協(xié)議的固態(tài)量子存儲(chǔ)器面向?qū)嶋H應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入集成化和按需讀出發(fā)展階段,2022年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒團(tuán)隊(duì)[22]實(shí)現(xiàn)光纖集成化的片上光量子存儲(chǔ)器,并通過(guò)斯塔克協(xié)議在試驗(yàn)上驗(yàn)證了按需讀出。

1.3 光子回波協(xié)議

光子回波協(xié)議是最早用于實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)的協(xié)議之一。傳統(tǒng)的光子回波協(xié)議通過(guò)將強(qiáng)光脈沖作用于原子系綜,使其相位翻轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。初始時(shí)刻t=0,所有原子具有相同的相位。當(dāng)輸入信號(hào)光脈沖時(shí),原子被激發(fā)到激發(fā)態(tài),并開(kāi)始退相干產(chǎn)生相位差。等待一段時(shí)間后,在t=t0時(shí)刻輸入第二個(gè)強(qiáng)光脈沖(π脈沖)使得上下能級(jí)的布居數(shù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。在t=2t0時(shí)刻,不同原子間的相位差重新歸零,從而發(fā)射出光子回波。該協(xié)議中π脈沖的使用產(chǎn)生了大量的布居數(shù)翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的過(guò)程中釋放出大量的噪聲光子,降低了存儲(chǔ)信號(hào)的保真度。為了抑制噪聲,法國(guó)巴黎南大學(xué)V.Damon等提出低噪聲回波恢復(fù)協(xié)議[23]。該協(xié)議在t=t0+ts時(shí)刻輸入第二個(gè)π脈沖將被激發(fā)的電子重新泵浦至基態(tài)。存儲(chǔ)信號(hào)以二階回波形式在t=t0+2ts時(shí)刻讀出,并通過(guò)引入空間失配來(lái)抑制一階回波。通過(guò)這種方式,降低了輻射的大量噪聲對(duì)回波信號(hào)的影響,從而實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的高保真按需讀出。2020年,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒團(tuán)隊(duì)[24]利用飛秒激光直寫(xiě)的Eu3+：Y2SiO5波導(dǎo)成功實(shí)現(xiàn)了低噪聲回波恢復(fù)協(xié)議;受四級(jí)光子回波和低噪聲光子回波的啟發(fā),該團(tuán)隊(duì)在2021年提出一種通過(guò)四個(gè)π脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的無(wú)噪聲光子回波協(xié)議[25],該協(xié)議基于四維原子希爾伯特空間中的雙重定相,可以同時(shí)消除相干噪聲和自發(fā)輻射噪聲,并在激光直寫(xiě)的Eu3+：Y2SiO5波導(dǎo)中通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該協(xié)議,將單光子水平的相干光回波的信噪比提高到了40 以上,相比于低噪聲回波恢復(fù)協(xié)議提高了近30 倍。該協(xié)議在光子回波的噪聲抑制方面展現(xiàn)出了非凡的實(shí)力,對(duì)于實(shí)現(xiàn)高保真度的按需讀出具有非常重要的意義[26]。

2 可集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件研究進(jìn)展

隨著全球化量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,開(kāi)發(fā)集成光量子存儲(chǔ)器件是一個(gè)必然趨勢(shì)。集成光量子存儲(chǔ)器件與其他集成量子信息器件相連接,如量子光源、單光子探測(cè)器等,將為多功能量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。由于緊湊性、可擴(kuò)展性和增強(qiáng)的光-物質(zhì)相互作用等優(yōu)勢(shì),REIDS材料成為研究集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件的重要候選者。光量子存儲(chǔ)器已經(jīng)在不同集成器件結(jié)構(gòu)中得到了驗(yàn)證,包括摻鉺石英光纖、鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)、飛秒激光直寫(xiě)摻雜波導(dǎo)以及聚焦離子束刻蝕摻雜器件等。

2.1 摻鉺石英光纖

摻鉺石英光纖是最早用于通信波段量子存儲(chǔ)器的光纖集成器件,其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可與現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施兼容,并且具有超大的可用帶寬。自2015年以來(lái),W.Tittel團(tuán)隊(duì)[27-28]致力于摻鉺石英光纖波導(dǎo)的量子存儲(chǔ)研究,并取得一系列研究成果,包括單光子、糾纏光子存儲(chǔ)等,實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)總帶寬達(dá)18 GHz,最長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間為50 ns,存儲(chǔ)的頻域模式有6 個(gè),偏振編碼量子比特的存儲(chǔ)保真度接近1。2020年,W.Tittel團(tuán)隊(duì)[29]首次實(shí)現(xiàn)兩個(gè)固態(tài)量子存儲(chǔ)器之間的糾纏,通過(guò)將自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)分別送至基于Tm3+：LiNbO3晶體波導(dǎo)和摻鉺石英光纖固態(tài)光量子存儲(chǔ)器中,實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器間的糾纏保真度達(dá)93%,證明了兩個(gè)集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器之間的糾纏。此外,摻鉺石英光纖具有大的非均勻展寬,為實(shí)現(xiàn)大帶寬、多模式存儲(chǔ)提供有利條件。2022年,電子科技大學(xué)周強(qiáng)團(tuán)隊(duì)[30]利用稀釋制冷提升鉺離子的相干性,進(jìn)一步結(jié)合光頻梳技術(shù),將摻鉺石英光纖的可用存儲(chǔ)帶寬增加到50 GHz,并在5個(gè)頻道中分別實(shí)現(xiàn)330 個(gè)時(shí)域模式存儲(chǔ),總存儲(chǔ)模式數(shù)達(dá)到1 650 個(gè),是迄今公開(kāi)報(bào)道的最大存儲(chǔ)模式數(shù)紀(jì)錄,圖1為試驗(yàn)中使用的摻鉺石英光纖。目前,基于摻鉺石英光纖的光量子存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)效率和存儲(chǔ)時(shí)間方面受到限制,不斷提高摻鉺石英光纖中鉺離子的相干特性,需要研究者們?cè)诓牧稀⒐に嚭驮囼?yàn)條件上進(jìn)行大量的探索和研究工作。

圖1 基于摻鉺光纖的集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件

2.2 鈦擴(kuò)散摻雜鈮酸鋰波導(dǎo)

鈮酸鋰晶體以其成熟的生長(zhǎng)技術(shù)、優(yōu)異的光學(xué)性能和集成能力,被廣泛應(yīng)用于制造各種集成光學(xué)器件。鈮酸鋰光波導(dǎo)的主要制備過(guò)程是利用擴(kuò)散的方法在其表面形成折射率高于晶體襯底的波導(dǎo)層(一般幾微米厚),從而將光場(chǎng)限制在晶體的表面?zhèn)鞑?。目?高質(zhì)量的鈮酸鋰光波導(dǎo)主要采用氧化鋰外擴(kuò)散、質(zhì)子交換和鈦擴(kuò)散三種方法制備。其中,鈦擴(kuò)散法制備的鈮酸鋰光波導(dǎo)傳輸損耗低,易于與單模光纖耦合。從1974年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室R.Schmidt等采用鈦擴(kuò)散法制備鈮酸鋰波導(dǎo)開(kāi)始,鈦擴(kuò)散波導(dǎo)引起人們廣泛的關(guān)注,被應(yīng)用于各種集成化器件的研究。2010年,W.Tittel團(tuán)隊(duì)通過(guò)鈦擴(kuò)散制備得到Ti4+：Tm3+：LiNbO3波導(dǎo)(見(jiàn)圖2),并對(duì)其非均勻展寬、相干時(shí)間以及塞曼能級(jí)壽命進(jìn)行了表征。2011年,W.Tittel團(tuán)隊(duì)將Ti4+：Tm3+：LiNbO3波導(dǎo)應(yīng)用到集成化的光量子存儲(chǔ)研究中,實(shí)現(xiàn)了大帶寬的糾纏光子存儲(chǔ)[31]。2014年,W.Tittel團(tuán)隊(duì)提出基于多模量子存儲(chǔ)器構(gòu)建高速量子網(wǎng)絡(luò)的方案,并在Ti4+：Tm3+：LiNbO3波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)26 個(gè)頻域模式的存儲(chǔ)[32]。2019年,W.Tittel團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在Ti4+：Er3+：LiNbO3波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)通信波段的單光子存儲(chǔ),這有利于將集成化的量子存儲(chǔ)器兼容到現(xiàn)有的通信設(shè)施中,促進(jìn)量子存儲(chǔ)器的實(shí)際應(yīng)用[33]。然而,在稀土摻雜的鈮酸鋰波導(dǎo)制造過(guò)程中需要高溫操作,會(huì)引起較大的晶格畸變,使得存儲(chǔ)性能整體低于相應(yīng)的塊狀晶體。盡管如此,鈦擴(kuò)散摻雜鈮酸鋰波導(dǎo)作為最早的技術(shù)路線,是集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件發(fā)展過(guò)程中的重要一步。

圖2 基于鈦擴(kuò)散摻銩鈮酸鋰波導(dǎo)的集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件

2.3 飛秒激光直寫(xiě)摻雜波導(dǎo)

飛秒激光微加工是一項(xiàng)成熟的波導(dǎo)制備技術(shù),主要通過(guò)聚焦能量在被加工材料的內(nèi)部使其結(jié)構(gòu)和折射率發(fā)生變化,其最大的優(yōu)勢(shì)在于可制備三維結(jié)構(gòu)的波導(dǎo),并且制備速度快、損傷小。1996年以來(lái),飛秒激光直寫(xiě)摻雜波導(dǎo)技術(shù)已被用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備,如集成激光源、光功率分束器、光耦合器、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和布拉格光柵等。2016年,西班牙巴塞羅那科學(xué)技術(shù)學(xué)院H.de Riedmatten團(tuán)隊(duì)[34-46]將激光直寫(xiě)摻雜波導(dǎo)用于多模式光量子存儲(chǔ)器的研究,目前已經(jīng)在Pr3+：Y2SiO5晶體中制備了I、II型波導(dǎo),并且實(shí)現(xiàn)單光子存儲(chǔ)、自旋波存儲(chǔ)以及130 個(gè)時(shí)-頻模式存儲(chǔ)。2016年,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒團(tuán)隊(duì)[22,24,37-39]也開(kāi)始利用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)制備波導(dǎo),在Eu3+：Y2SiO5晶體中制備出II、III、IV型波導(dǎo),在Er3+：Y2SiO5晶體中制備出III型波導(dǎo),實(shí)現(xiàn)了光量子態(tài)的按需存儲(chǔ),存儲(chǔ)時(shí)間高達(dá)10 μs,偏振編碼量子比特的存儲(chǔ)保真度高達(dá)99.4%。2023年,電子科技大學(xué)周強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與山東大學(xué)陳峰團(tuán)隊(duì)[40]合作,成功制備出III型Er3+：LiNbO3波導(dǎo),并將其封裝為光纖尾纖集成的片上器件,量子存儲(chǔ)帶寬達(dá)到了4 GHz,量子存儲(chǔ)的時(shí)域模式數(shù)達(dá)到330 個(gè),并首次在此類器件中實(shí)現(xiàn)通信波段多模集成光量子存儲(chǔ)。圖3為激光直寫(xiě)技術(shù)在RIEDS材料中制備的I、II、III、IV型波導(dǎo)。與鈦擴(kuò)散技術(shù)相比,飛秒激光微加工具有加工精度高、結(jié)構(gòu)多等優(yōu)點(diǎn),相應(yīng)塊狀材料的特性能保留在制備出的光波導(dǎo)中。總體而言,飛秒激光加工摻雜波導(dǎo)器件具有實(shí)現(xiàn)高性能集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件的前景。

圖3 基于激光直寫(xiě)摻雜波導(dǎo)的集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件

2.4 聚焦離子束刻蝕摻雜器件

利用聚焦離子束刻蝕直接在REIDS材料上制作光子晶體微腔器件是實(shí)現(xiàn)集成光量子存儲(chǔ)器的技術(shù)路線之一。在稀土摻雜晶體中制備光子晶體微腔結(jié)構(gòu),能有效增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用,可以提高存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)效率。2015年,美國(guó)加州理工學(xué)院A.Faraon團(tuán)隊(duì)[41]通過(guò)聚焦離子束刻蝕在Nd3+：Y2SiO5晶體中制備光子晶體微腔(見(jiàn)圖4),其中Nd3+離子的相干時(shí)間達(dá)到94 μs,相較于同等摻雜濃度的塊狀晶體提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),而后在該材料中實(shí)現(xiàn)了相干光的存儲(chǔ)。2017年,A.Faraon團(tuán)隊(duì)[42]在Nd3+：YVO4晶體中制備出三角納米束諧振器,實(shí)現(xiàn)了保真度達(dá)98.7%的頻率片量子比特存儲(chǔ),以及帶寬為80 MHz、存儲(chǔ)時(shí)間為75 ns的時(shí)間片量子比特存儲(chǔ),保真度為96.8%[43]。2019年,A.Faraon團(tuán)隊(duì)[44]進(jìn)一步在Er3+： Y2SiO5晶體中制備出光子晶體微腔,實(shí)現(xiàn)了通信波段弱相干光的多時(shí)域模式存儲(chǔ)。聚焦離子束刻蝕器件具有尺寸緊湊、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn),但需要高精度制備工藝條件,在實(shí)現(xiàn)高性能集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件方面具有進(jìn)一步的發(fā)展空間。

圖4 基于聚焦離子束刻蝕器件的集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件

表1總結(jié)了目前在不同REIDS材料上制造的集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件的研究進(jìn)展。

表1 集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件性能

3 結(jié)束語(yǔ)

目前,摻鉺石英光纖制造技術(shù)成熟,但是在存儲(chǔ)時(shí)間和效率上還需要進(jìn)一步提升。鈦擴(kuò)散摻雜鈮酸鋰波導(dǎo)的制造技術(shù)相對(duì)成熟,但制造過(guò)程需要高溫條件,導(dǎo)致存儲(chǔ)性能低于對(duì)應(yīng)的塊狀材料。聚焦離子束刻蝕摻雜器件的制造過(guò)程非常精確,可以制造多種高精度的量子存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu),但制造過(guò)程會(huì)影響晶體中稀土離子的性質(zhì),目前存儲(chǔ)效率較低。飛秒激光直寫(xiě)摻雜波導(dǎo)可以制造各種波導(dǎo)結(jié)構(gòu),具有較高的加工精度,且制造的光波導(dǎo)保留了塊狀材料的大部分優(yōu)良性質(zhì),對(duì)量子存儲(chǔ)性能的影響較小,但在材料上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子器件結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。

在REIDS材料上生長(zhǎng)和制備硅基光學(xué)結(jié)構(gòu),形成混合材料和器件結(jié)構(gòu)[45],該方法充分利用硅基光子學(xué)的研究成果,其具有良好的集成性,在與現(xiàn)有硅基光學(xué)芯片的互聯(lián)方面具有巨大的潛力。此外,該方法還避免了對(duì)REIDS晶體材料進(jìn)行直接加工,大大減少了加工引入的缺陷,從而確保了與塊狀晶體一致的相干特性。然而,硅材料的高折射率特性使得大部分光被限制在硅材料中,如何提升器件中光與摻雜材料的相互作用是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件在未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)中將扮演重要角色,現(xiàn)有集成固態(tài)光量子存儲(chǔ)器件已經(jīng)取得長(zhǎng)足的進(jìn)展,但綜合性能還需進(jìn)一步提升,需要人們?cè)诓牧仙L(zhǎng)、器件制備、性能測(cè)試等方面開(kāi)展持續(xù)研究。