北理工團隊在集成光量子存儲芯片研究中取得突破
發布日期：2025-04-30 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
日前，北京理工大學物理學院張向東教授團隊在片上集成光存儲器研究方面取得重要進展。通過在硅-鉺摻雜晶體異質材料上設計連續譜束縛態（Bound States in the Continuum, BIC）結構，首次在芯片上實現了低損耗、高光-物質耦合效率的量子存儲器，其相干時間與塊體晶體性能相當。這一成果為大規模量子網絡的實用化奠定了技術基礎，相關工作發表在《Science Advances》上[Sci. Adv. 11, eadu0976 (2025)]。北京理工大學為第一完成單位，物理學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量上做出了十分重要的貢獻。
光學量子存儲器是量子通信與計算的核心組件，其性能直接影響量子網絡的擴展能力，但其片上集成長期受限于材料體系的選擇。稀土摻雜晶體雖然在相干時間上具有十分突出的優勢，十分適合用于制備量子存儲器，卻面臨難以規模化集成的挑戰。另一方面，傳統硅基光子器件雖兼容成熟工藝，但光場局域于硅材料內部，難以高效和稀土離子發生相互作用。研究團隊創新性地將硅基材料的高集成度優勢與稀土摻雜晶體的量子性能相結合，通過BIC效應解決了光場局域與損耗的平衡難題。
研究者提出了一種新型硅-鉺摻雜晶體異質結構（圖1A），通過精準調控BIC效應（圖1B），實現了光場在芯片上的高效局域與低損耗傳輸。實驗表明，該異質結構在1.5微米通信波段展現出顯著優勢：光傳播損耗低至0.5 dB/cm，較傳統非晶硅波導降低約10倍；同時，45%的光場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。利用實驗室自主搭建的低溫光量子芯片測量系統（圖1C和D），實現了片上的光子回波存儲，并進一步測量了芯片中鉺離子的光學相干時間達2.6微秒，與塊體材料性能一致。
圖1. （A）BIC量子存儲芯片結構示意圖；（B）傳統波導與BIC波導的等效勢場對比；（C）芯片顯微圖像，顯示密集集成的波導陣列；（D）低溫光芯片測量系統。
圖2. 不同器件的激發態自發發光信號測量。（a）激發功率為 654 μW 時，不同和器件的熒光信號譜。（b）激發功率 62 μW 時，不同器件熒光信號譜。
與現有方案相比，該技術兼容硅基工藝、可大規模集成的特點尤為突出。研究團隊已在4×4毫米芯片上成功集成多路波導（圖1C和圖2），實驗驗證了器件均一性。與傳統的片上光存儲方案相比，該BIC結構在光場調控方面具有更大的靈活性，能夠實現對光子空間模式的精確控制，為進一步提高存儲效率和實現多模式量子存儲器提供了新的可能性。此外，該BIC結構兼容現有的硅基薄膜技術，易于規模化生產，有望推動片上集成光量子存儲器的實際應用。理論分析更加進一步證明，若采用更高品質晶體，存儲效率可進一步提升至90%，為多模態量子信息處理提供可能。
本項目研究得到了國家自然科學基金、北京理工大學科研啟動項目及國家重點研發計劃的支持。
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu0976
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