中国科大实现离子阱量子存储器和光纤网络的高效互联

中国科学技术大学潘建伟、张强等与济南量子技术研究院郑名扬等，在紫外波段离子阱存储器和通信光纤的高效量子互联方面取得重要进展。研究团队成功实现393nm至1550nm的高效率、低噪声量子频率转换（QFC，Quantum Frequency Conversion），刷新了该波段量子频率转换效率与噪声水平的国际纪录，为可扩展量子网络中囚禁离子节点的远程互连提供了关键技术。10月13日，相关成果发表于国际知名物理学期刊《物理评论快报》。

囚禁离子体系具有相干时间长、操控保真度高等突出优势，是构建规模化量子网络的重要体系之一。然而，诸多囚禁离子能级跃迁荧光波长位于紫外或蓝紫光波段，难以实现远距离光纤传输，解决方案是高效率、低噪声量子频率转换。此前，该波段至通信波段的QFC普遍面临效率低、噪声高的问题，难以实际应用，致使该波段囚禁离子节点间纠缠分发距离被限制在米量级。

研究团队从准相位匹配底层原理出发，一方面建立畴缺陷相位扰动致效率下降的定量理论模型，并通过定量分析验证理论模型。另一方面，团队揭示了短波长泵浦下QFC过程与泵浦光自发参量下转换（SPDC）噪声过程的反向调谐特性，据此提出短波泵浦SPDC噪声抑制方法，实现对泵浦光噪声的大幅抑制。基于以上创新方法，团队构建393nm至1550nm的高效率低噪声QFC模块，端到端效率达28.8%，泵浦光噪声抑制至35个/秒。与此前研究工作相比，效率提升约30倍，噪声降低逾两个数量级，创造了该波段量子频率转换的新纪录。

图1. (a) 周期极化薄膜铌酸锂脊型波导芯片实物与扫描电镜图；(b) 量子频率转换实验装置示意图。

该QFC模块已在基于40Ca+囚禁离子的远距离量子纠缠中得到实际应用，信噪比可达120：1，支撑了长寿命远程离子-离子高保真度纠缠的实验演示与器件无关量子密钥分发，为可扩展量子中继和广域量子网络奠定了关键器件基础。

论文链接：https://doi.org/10.1103/wx56-plcm