北理工團(tuán)隊(duì)在集成光量子存儲(chǔ)芯片研究中取得突破
發(fā)布日期：2025-04-30 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授團(tuán)隊(duì)在片上集成光存儲(chǔ)器研究方面取得重要進(jìn)展。通過在硅-鉺摻雜晶體異質(zhì)材料上設(shè)計(jì)連續(xù)譜束縛態(tài)（Bound States in the Continuum, BIC）結(jié)構(gòu)，首次在芯片上實(shí)現(xiàn)了低損耗、高光-物質(zhì)耦合效率的量子存儲(chǔ)器，其相干時(shí)間與塊體晶體性能相當(dāng)。這一成果為大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，相關(guān)工作發(fā)表在《Science Advances》上[Sci. Adv. 11, eadu0976 (2025)]。北京理工大學(xué)為第一完成單位，物理學(xué)院博士研究生周湃為第一作者，陳宇輝與張向東教授為通訊作者。此外，張慧珍副教授、博士生李亭美以及中科院物理所張忠山主任工程師在樣品的制備和測(cè)量上做出了十分重要的貢獻(xiàn)。
光學(xué)量子存儲(chǔ)器是量子通信與計(jì)算的核心組件，其性能直接影響量子網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展能力，但其片上集成長(zhǎng)期受限于材料體系的選擇。稀土摻雜晶體雖然在相干時(shí)間上具有十分突出的優(yōu)勢(shì)，十分適合用于制備量子存儲(chǔ)器，卻面臨難以規(guī)?；傻奶魬?zhàn)。另一方面，傳統(tǒng)硅基光子器件雖兼容成熟工藝，但光場(chǎng)局域于硅材料內(nèi)部，難以高效和稀土離子發(fā)生相互作用。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將硅基材料的高集成度優(yōu)勢(shì)與稀土摻雜晶體的量子性能相結(jié)合，通過BIC效應(yīng)解決了光場(chǎng)局域與損耗的平衡難題。
研究者提出了一種新型硅-鉺摻雜晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖1A），通過精準(zhǔn)調(diào)控BIC效應(yīng)（圖1B），實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)在芯片上的高效局域與低損耗傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)在1.5微米通信波段展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：光傳播損耗低至0.5 dB/cm，較傳統(tǒng)非晶硅波導(dǎo)降低約10倍；同時(shí)，45%的光場(chǎng)能量穿透至鉺摻雜晶體，使鉺離子光吸收效率提升20倍以上。利用實(shí)驗(yàn)室自主搭建的低溫光量子芯片測(cè)量系統(tǒng)（圖1C和D），實(shí)現(xiàn)了片上的光子回波存儲(chǔ)，并進(jìn)一步測(cè)量了芯片中鉺離子的光學(xué)相干時(shí)間達(dá)2.6微秒，與塊體材料性能一致。
圖1. （A）BIC量子存儲(chǔ)芯片結(jié)構(gòu)示意圖；（B）傳統(tǒng)波導(dǎo)與BIC波導(dǎo)的等效勢(shì)場(chǎng)對(duì)比；（C）芯片顯微圖像，顯示密集集成的波導(dǎo)陣列；（D）低溫光芯片測(cè)量系統(tǒng)。
圖2. 不同器件的激發(fā)態(tài)自發(fā)發(fā)光信號(hào)測(cè)量。（a）激發(fā)功率為 654 μW 時(shí)，不同和器件的熒光信號(hào)譜。（b）激發(fā)功率 62 μW 時(shí)，不同器件熒光信號(hào)譜。
與現(xiàn)有方案相比，該技術(shù)兼容硅基工藝、可大規(guī)模集成的特點(diǎn)尤為突出。研究團(tuán)隊(duì)已在4×4毫米芯片上成功集成多路波導(dǎo)（圖1C和圖2），實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了器件均一性。與傳統(tǒng)的片上光存儲(chǔ)方案相比，該BIC結(jié)構(gòu)在光場(chǎng)調(diào)控方面具有更大的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光子空間模式的精確控制，為進(jìn)一步提高存儲(chǔ)效率和實(shí)現(xiàn)多模式量子存儲(chǔ)器提供了新的可能性。此外，該BIC結(jié)構(gòu)兼容現(xiàn)有的硅基薄膜技術(shù)，易于規(guī)模化生產(chǎn)，有望推動(dòng)片上集成光量子存儲(chǔ)器的實(shí)際應(yīng)用。理論分析更加進(jìn)一步證明，若采用更高品質(zhì)晶體，存儲(chǔ)效率可進(jìn)一步提升至90%，為多模態(tài)量子信息處理提供可能。
本項(xiàng)目研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu0976
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