**集成光子学**已成为量子通信和量子计算领域一个前景广阔的平台。**薄膜铌酸锂（TFLN）** 因其优异的光学特性而在此领域获得了极大关注，使得众多集成光子器件的实现成为可能。然而，作为量子互联网通用构建模块的量子存储器，尚未在薄膜铌酸锂中得到演示。在本研究中，我们利用掺铒离子的薄膜铌酸锂，实现了首个片上量子存储器。所研制的量子存储器存储时间为400纳秒，效率为1.95% ± 0.04%，显著优于传统的波导延迟线。通过成功存储四个时间模式，展示了其多模能力。此外，我们将单光子水平的相干脉冲编码为时间箱量子比特，并以96.8% ± 0.3%的保真度进行了存储，超越了测量-准备策略所能达到的经典极限。我们的结果展示了薄膜铌酸锂中首个用于电信波段时间箱量子比特的片上量子存储器，为面向可扩展量子信息处理的集成量子寄存器和中继器提供了关键构建模块。
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**引言**
集成量子光子学已成为推动量子信息技术发展的关键平台[1–4]。与体光学器件相比，它能够实现多种光学元件的片上集成，具有优越的可扩展性、更低的功耗、更小的器件尺寸以及更高的成本效益。人们已经研究了多种用于集成光子学的材料平台，包括硅基材料（如Si、SiC、SiN）、III-V族和III-N族半导体（如GaAs、InP、AlN、GaN）以及铁电体（LiNbO₃和LiTaO₃）[3–8]。在这些材料平台中，薄膜铌酸锂（TFLN）因其卓越的性能（包括大的非线性系数、强的电光效应和宽的透明窗口）而在集成光子学领域尤具前景[6, 9, 10]。这些特性使得在TFLN上实现关键的集成量子光子器件成为可能，例如低电压电光调制器[11]、超低阈值频率梳[12, 13]、超宽带纠缠光子对源[14]以及微波光子信号处理引擎[15]。然而，在TFLN上实现光子量子存储器仍然是一个突出的挑战[16]。
量子存储器能够存储和读取量子态，对于推动量子信息技术的发展至关重要[2, 4, 5]。它不仅作为长距离量子网络中克服光纤损耗的量子中继器的基本元件[17, 18]，也是量子计算架构中降低量子比特需求的量子寄存器的基本元件[19]。
在TFLN中掺杂铒离子（Er³⁺）是实现片上量子存储器的一个有前景的候选方案[20–23]。铒离子在铌酸锂（LN）中具有较长的光学相干时间，其吸收和发射跃迁波长位于电信波段（约1532 nm）[24]。基于体Er³⁺:LN波导的量子存储器已被演示[21, 22, 25]，而近期进展也实现了基于掺铥（Tm³⁺）TFLN的原子频率梳（AFC）存储器[26, 27]。此外，最近还对TFLN中Er³⁺离子的光谱特性进行了研究[20]。迄今为止，尚未实现与电信波长光子兼容的、直接在Er³⁺:TFLN中实现的量子存储器。
在本工作中，我们实现了一种基于Er³⁺:TFLN的片上光子量子存储器。采用AFC协议，我们实现了400纳秒的存储时间，效率为1.95% ± 0.04%。通过利用AFC方案固有的时间多模能力，实现了四个时间模式的存储。此外，输入信号被编码为时间箱量子比特，在输入平均光子数µin = 0.578时，存储保真度高达96.8% ± 0.3%，明显超过了与测量-准备策略相关的经典基准。这些结果为TFLN在集成量子技术中的应用铺平了道路。
**结果**
**器件制备**
图1 (a) 基于TFLN平台的集成量子存储器示意图。量子态通过光栅耦合器耦合进入和离开波导，波导中掺杂了Er³⁺离子。(b) 所制造的光栅耦合器和5毫米长直波导的光学显微镜图像。黄色阴影区域未按比例显示。(c)、(d) 光栅耦合器和波导的扫描电子显微镜图像。(e) 波导中1531.6 nm处基横电（TE）模的时域有限差分（FDTD）模拟结果，显示光模与Er³⁺掺杂TFLN区域的重叠度为85.37%。X–Y平面表示LN晶轴，波导沿Z轴方向。
在TFLN芯片上实现的光子量子存储器示意图如图1(a)所示。该量子存储器是在掺Er³⁺的波导中实现的，该波导可以与同一芯片上的其他组件集成，或者通过光栅耦合器与光纤耦合。在本研究中，Er³⁺:TFLN是在商用的x切TFLN晶圆（Nanoln）上制造的，厚度为500 nm，掺杂浓度为0.5 mol%的Er³⁺离子。Er³⁺:TFLN层被键合到4.7 µm的二氧化硅层上，该二氧化硅层生长在525 µm厚的硅衬底上。波导长度为5 mm，光通过两个光栅耦合器耦合输入和输出，如图1(b)所示。光栅耦合器和波导的扫描电子显微镜图像如图1(c)和1(d)所示。光栅耦合器在1531.6 nm处的耦合效率约为12.5%，相应的耦合效率曲线见补充材料图S2。图1(e)显示了在1531.6 nm处基横电模在波导中电场分布的时域有限差分模拟结果。
**Er³⁺:TFLN的光谱特性**
图2 (a) 5毫米长TFLN波导中Er³⁺离子的吸收光谱。插图为TFLN中Er³⁺离子的简化能级图。(b) 1.6 K下⁴I₁₃/₂态的荧光衰减曲线，蓝色线为单指数拟合，得到寿命T₁ = 2.78 ± 0.02 ms。(c) ⁴I₁₅/₂ ↔ ⁴I₁₃/₂跃迁的双脉冲光子回波（PE）衰减曲线，绿色线为指数函数拟合，得到相干时间T₂ = 17.48 ± 1.69 µs。(d) 光谱烧孔面积随时间的衰减，使用三个指数衰减函数进行拟合。最短的烧孔寿命估计为1.95 ± 1.09 s。
在实现基于Er³⁺:TFLN的量子存储器之前，表征Er³⁺离子的光谱特性至关重要。本研究中使用的TFLN中Er³⁺的相关能级结构如图2(a)的插图所示。为了获得长的光学相干时间，器件在低温下工作以抑制声子引起的退相干，并施加强磁场以减缓Er³⁺的自旋翻转过程[24, 28]。因此，TFLN芯片被放置在Oxford SpectromagPT系统中，处于1.6 K和4 T的低温环境。详细的实验装置见补充材料图S1。光的偏振方向沿Y轴（E ∥ Y），而磁场沿Z轴施加（B ∥ Z）。坐标轴（X、Y、Z）的定义如图1(e)所示。
首先，我们测量了⁴I₁₅/₂ ↔ ⁴I₁₃/₂跃迁的吸收特性。相应的吸收光谱如图2(a)所示。在1531.6 nm处观察到峰值吸收系数为10.52 cm⁻¹。结果表明光学非均匀线宽为1.97 nm（250 GHz）。然后，我们测量了⁴I₁₃/₂激发态的荧光寿命（光学T₁）。使用持续时间为100 µs的单频激光脉冲激发⁴I₁₅/₂ ↔ ⁴I₁₃/₂跃迁，并记录相应的荧光衰减。测得的光学T₁为2.78 ± 0.02 ms，如图2(b)所示，这与先前的报道一致[20, 24, 29]。由于光子量子存储器依赖于光学相干性，我们进一步利用光子回波测量了⁴I₁₅/₂ ↔ ⁴I₁₃/₂跃迁的光学相干时间（T₂）。测量结果如图2(c)所示，由此获得的相干时间为17.48 ± 1.69 µs。该值比在类似实验条件下体LN中Er³⁺离子的报道值要短[24]。T₂的减少归因于我们的TFLN中掺杂浓度较高。
由于Er³⁺:TFLN是实现片上量子存储器的潜在平台，高效的基态布居操控（例如光谱烧孔和产生持久吸收特征）至关重要。这些过程的实现要求基态⁴I₁₅/₂的寿命显著超过激发态⁴I₁₃/₂的寿命。为了研究基态寿命，我们测量了光谱烧孔面积的随时间衰减，如图2(d)所示。拟合得到的最短衰减时间为1.95 ± 1.09秒。该光谱孔寿命比激发态寿命（2.78 ± 0.02 ms）长约700倍，证实了基态具有足够长的寿命以实现高效的光泵浦。
**原子频率梳存储**
为了将电信波段光子存储在Er³⁺:TFLN芯片中，我们采用了AFC方案[30, 31]。AFC方案依赖于光谱烧孔技术，将Er³⁺离子非均匀展宽的吸收谱周期性地形成为一系列窄的、等间距的吸收峰，如图3(a)所示。当输入光子被梳状吸收峰吸收后，它们将在固定的延迟时间τ = 1/Δ后重新发射，其中Δ表示梳齿间距。如图3(a)所示，我们制备了一个宽度为40 MHz、梳齿间距为2.5 MHz的AFC，对应的存储时间为τ = 400 ns。在µin = 0.578条件下，存储器的时间直方图如图3(b)所示。观察到的存储效率为1.95% ± 0.04%，信噪比为56.3 ± 7.0。主要的噪声贡献来自探测器的暗计数。
AFC协议本身支持时间多模式，可存储的最大时间模式数由模式持续时间与存储时间的比值决定[32]。为了验证我们存储器的多模能力，我们输入了一个包含四个脉冲的序列。输出信号以先进先出的方式被读取，如图3(c)的测量结果所示。平均存储效率为1.97% ± 0.02%。这种时间复用能力为提高纠缠分发速率提供了一种可扩展的方法，从而提高了基于量子中继器的网络的整体效率[18, 33, 34]。
**时间箱量子比特存储**
利用种时间多模能力，我们将输入脉冲编码为时间箱量子比特，以展示该存储器在量子技术中的潜力[35, 36]。这种编码方案由于其在长距离光纤中对退偏振和空间模式混合具有鲁棒性，因而被广泛应用于量子网络中[37, 38]。在我们的装置中，时间箱量子比特 |e⟩ + e^(iΔα)|l⟩ 是通过任意波形发生器驱动的声光调制器（AOM）产生的，其中相对相位 Δα 被主动控制。这里，|e⟩ 和 |l⟩ 分别表示早时间箱态和晚时间箱态。每个时间箱量子比特由两个时间模式组成，脉冲宽度为50纳秒，间隔为130纳秒。我们使用了五个时间箱量子比特 |e⟩、|l⟩、|e⟩ ± |l⟩ 和 |e⟩ + i|l⟩ 来表征该存储器件。首先，我们评估了 |e⟩ 和 |l⟩ 的保真度，如补充材料图S5所示。当 µin = 1.610 时，观测到的平均保真度值为 Fel = 98.8% ± 0.1%。为了表征时间箱量子比特的叠加态 |+⟩ = |e⟩ + |l⟩ 和 |−⟩ = |e⟩ − |l⟩，我们采用了一个定制的非平衡马赫-曾德尔干涉仪（UMZI）（如补充材料图S3所示）[38]。图4(a)和4(b)显示了 µin = 1.610 时的干涉结果，由此得到的保真度为 F_+− = 96.6% ± 0.2%。因此，读取出的量子比特的总条件保真度 F_T = (1/3)F_el + (2/3)F_+− 计算结果为 97.3% ± 0.2%。如图4(c)所示，该结果显著高于经典测量-准备策略所能达到的最大保真度[36, 39, 40]，证明了我们存储器件具有真正的量子特性。
为了研究所存储时间箱量子比特的相位相干性，我们将UMZI稳定在 |e⟩ + |l⟩ 和 |e⟩ − i|l⟩ 态。通过将相位 Δα 从0变化到2π，制备了一系列输入量子比特态。这些量子比特被存储在存储器中，然后读取出来并送入UMZI进行分析。干涉条纹如图4(d)所示。采用以下形式的正弦拟合[38]：Counts(Δα) = Counts_avg (1 + V sin(Δα))，其中 Counts_avg 表示最大和最小计数的平均值，我们提取出的原始平均可见度分别为 94.0% ± 0.4% 和 94.2% ± 0.4%，对应的态保真度分别为 97.0% ± 0.2% 和 97.1% ± 0.2%。所获得的保真度明显超过了测量-准备策略的经典极限，进一步证实了该存储器的量子特性。
**讨论**
总之，我们已在 Er³⁺:TFLN 芯片上演示了一种光子时间箱量子比特存储器。所实现的存储器在5毫米长的波导中实现了400纳秒的存储时间，效率为1.95% ± 0.04%（约 –17.5 dB）。为了实现等效的时间延迟，如果使用光延迟线，则需要一条60米长的波导，即使采用1.3 dB/m的超低损耗，也会引入约 -78 dB 的总衰减[41]。与波导延迟线相比，本文提出的片上量子存储器在实现长时延方面具有明显优势，提供了显著更低的损耗和大幅减小的器件尺寸。
未来，可以通过采用阻抗匹配腔来提高存储效率[42, 43]。同时，通过在更低的温度和更强的磁场下工作，可以进一步延长存储寿命[28]。值得注意的是，更精确地制备AFC将同时带来更高的存储效率和更长的存储寿命[32]。此外，虽然AFC方案是一种预编程的延迟，但可以通过采用斯塔克调制的AFC协议来实现按需读取[35, 44]。
展望未来，将片上量子存储单元与低损耗波导[41]、高性能电光调制器[45]、高质量纠缠光子源[14]以及单光子探测器[46]集成，将进一步提升TFLN光子平台的功能性和可扩展性。该存储器与电信波段的兼容性使得该芯片成为长距离量子网络的有前景的候选方案。其集成的多功能性最终可能实现芯片级的量子中继器，从而成为电信波段量子通信和分布式量子计算的通用构建模块[47]。
**方法**
**TFLN的制备**
该器件是在0.5 mol% Er³⁺掺杂的x切TFLN中制造的，Er³⁺离子在LN晶体生长过程中被掺杂。TFLN是通过SmartCut技术由体掺铒铌酸锂在Nanoln公司制备而成。然后，将TFLN切割成10 mm × 12 mm（Y × Z）的小片以进行进一步加工。为了制作LN波导和光栅耦合器，沉积了200纳米厚的铬层作为硬掩模。随后，旋涂400纳米厚的AR-P 6200光刻胶，并利用电子束光刻定义器件结构。然后，通过基于氩气的干法刻蚀（刻蚀深度为300纳米）将图形转移到TFLN层中。最终得到的侧壁角度约为70°。所制备结构的SEM图像如图1(c)和1(d)所示。为了便于在低温环境中操作，芯片采用两个光纤阵列进行封装[48]。
**AFC制备与存储效率**
利用光谱烧孔技术对Er³⁺离子的吸收谱进行整形以制备AFC，从而形成清晰的吸收峰。这些峰是通过并行制备方法产生的[49]。考虑到光学寿命T₁，制备脉冲长度为5毫秒，并重复150次。所制备的AFC结构如图3(a)所示。对于AFC的高斯型峰，存储效率可以表示为……
其中，\(d_1 = 1.61 \pm 0.03\) 是梳状吸收峰的光学深度，\(F = \Delta / \gamma = 1.92 \pm 0.02\) 是原子频率梳（AFC）的精细度，\(d_0 = 1.36 \pm 0.01\) 是吸收背景。理论上的 AFC 效率为 \(\eta_{\text{AFC,th}} = 1.41\% \pm 0.01\%\)。\(\eta_{\text{AFC,th}}\) 的预测值低于测得的存储效率。
文件名：Storage of telecom-band time-bin qubits in thin-film lithium niobate
作者：Xiao-Jie Wang,1, ∗ Yong-Teng Wang,1, ∗ Zi-Wei Zhao,1 Yong-Min Li,1, 2, † and Tian-Shu Yang1, ‡
单位：1State Key Laboratory of Quantum Optics Technologies and Devices,Institute of Opto-Electronics, Shanxi University, Taiyuan, 030006, China
2Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan, 030006, China
