Erbium-Doped Fibre Quantum Memory for Chip-Integrated Quantum-Dot Single Photons at 980 nm

想象一下未来的互联网，它发送的不再是电子邮件或猫咪视频，而是宇宙中最脆弱的秘密：量子信息。为了构建这个“量子互联网”，科学家们需要做一件非常棘手的事情。他们需要捕捉一个携带信息的飞行光粒子（光子），将其在半空中暂停，安全地存储这条信息，然后让它再次飞翔，且不丢失任何其特殊的量子魔力。问题在于，光是快速且“健忘”的；它以光速穿过光纤电缆，并且不喜欢停下来。为了让它停下，我们需要一个“量子存储器”——一个特殊的盒子，可以捕捉光，抓住它，并根据指令释放它。

但问题在于，来自我们最好的量子光源（微小的假想原子，即量子点）的光，与我们通常用来存储它的盒子所使用的“颜色”语言并不一致。这就像试图把一个 USB-C 型的电缆插入一个 USB-A 型的接口，它们无法匹配。长期以来，科学家们不得不尝试拉伸或挤压光或者存储器，以使它们匹配，但这既混乱又不稳定。这篇论文介绍了一种聪明的全新方法，使两种截然不同的事物能够完美契合，在光源和存储库之间建立一座平滑的桥梁，同时确保光中珍贵的量子秘密安全无虞。

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伟大的量子媒人

在这项研究中，来自加拿大的一个科学家团队完成了一项罕见的量子媒人壮举。他们成功地连接了两个完全不同的系统：一个基于芯片的、能吐出单光子的微型光源，以及一根充满了可以充当存储库的特殊原子的长玻璃纤维。目标是展示这两个系统可以在不需要任何尴尬的调整或“光谱调谐”（这就像是试图把方榫头塞进圆孔里）的情况下进行对话。

光源：微型手电筒
在实验的一侧，他们使用了一个“量子点”。你可以把它想象成一个由名为 InAsP 的半导体材料制成的微型、芯片集成式手电筒。当你用激光照射它时，它不仅仅是闪烁光束，而是按需发射一个接一个的单个光粒子。这对于量子互联网的运作至关重要，因为你不能依赖猜测光子何时到达；你需要能够说：“现在发一个！”这个特定的量子点被设计为在 980 纳米波长（一种特定的近红外光色调）处发射光。

存储器：玻璃海绵
在另一侧，他们使用了一段长达 10 米的玻璃纤维（大约是一辆小汽车的长度），这段纤维中“掺杂”了铒离子。想象一下这段纤维是一个由玻璃制成的巨大、超冷的“海绵”。在这个海绵内部有数万亿个微小的原子（铒离子），它们可以吸收光并保持其能量一段时间，然后再将其释放出来。通常，科学家将这些纤维用于另一种颜色的光（电信波长），但这个团队决定尝试将它们用于量子点的 980 纳米光。

重大发现：它们无需强求即可契合
该团队的主要发现是，这两个系统自然地使用同一种语言。量子点的 980 纳米光完美匹配了铒掺杂纤维的“吸收带宽”。过去，科学家经常需要调整光源或存储器来使它们对齐，而这很难保持稳定。在这里，研究人员发现，在极低温条件下（极冷，约为 10 毫开尔文，仅比绝对零度高一点点），该量子点的发射特性与纤维的存储能力恰好完美契合。

他们是如何存储光的
为了证明存储器的有效性，他们使用了被称为“原子频率梳”（AFC）的技术。你可以将此想象为调节玻璃海绵，使其原子排列成特定的、类似梳子形状的图案。当光子撞击这个“梳子”时，它会被“梳齿”吸收。由于原子的排列方式，光子被迫等待特定的一段时间后才会自动重新发射。

团队通过两种方式演示了这一点：

1. 存储“弱”光： 他们发送了 59 个非常微弱的光脉冲（弱相干脉冲），并成功地存储和检索了它们。他们成功保持了这些脉冲长达 100 纳秒。该系统处理多个脉冲的能力非常出色，理论上可以存储多达 144 个不同的时间槽，尽管他们测试了 59 个。
2. 存储单光子： 这是重头戏。他们提取了来自量子点的实际单光子，并将它们存储在纤维中。在没有改变光的颜色或纤维的情况下，他们成功捕捉了单光子，将其保存，然后再次释放。

结果与限制
实验表明存储器确实起作用了，但目前还不完美。

• 效率： 系统能够存储并召回光，但只有约 1% 的光子完成了整个过程。论文指出，这主要是因为在将纤维连接到其他设备（熔接和连接器）时的损耗造成的，而不是因为存储器本身失效。
• 质量： 当他们检查“保真度”（即存储器保留量子信息的程度）时，发现其水平足以证明这是一个真正的量子过程，超越了经典计算机所能达到的水平。
• 速度： 存储器可以根据不同时长持有光，范围从 5 到 100 纳秒不等。

他们没做什么（以及为什么这很重要）
论文明确排除了需要“调谐”量子点的可能性。通常，为了让量子点匹配存储器，科学家必须施加磁场或拉伸材料以改变其颜色。在这种情况下，研究人员展示了量子点的自然发射已经与纤维的 980 纳米跃迁完美匹配。这是一个巨大的进步，因为这意味着系统更稳定，也更容易构建用于实际应用。

他们还澄清，虽然 980 纳米跃迁常用于向系统“泵浦”能量的激光，但这是首次探索并证明其作为“量子存储器”属性的研究。

底线
这篇论文表明，铒掺杂纤维是构建未来量子互联网“硬盘”的一个非常有前景的候选方案。通过展示芯片型量子点可以直接与光纤存储器对话，而无需复杂的调整，研究人员向着构建实用、可扩展且能与现有的、已遍布世界的纤维光缆集成的量子网络迈出了重要一步。虽然效率仍需提高（目前为 1%），但光源与存储器之间的基本桥梁是稳固的，证明了这两项技术可以共存并协作。