中國科大首次實現確定性單光子的多模式固態量子存儲

中國科學技術大學教授、中國科學院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在量子中繼、量子網絡的研究中取得新進展:該實驗室李傳鋒研究組成功實現了量子點發射的確定性單光子的多模式固態量子存儲。該成果在國際上首次實現量子點與固態量子存儲器兩種不同固態系統之間的對接，并且實現了100個時間模式的多模式量子存儲，模式數創造世界最高水平，為量子中繼和全固態量子網絡的實現打下堅實的基礎。研究成果發表在近期的《自然·通訊》上。

糾纏分發是構建量子網絡的核心技術。由于信道中不可避免的傳輸損耗，目前在信道中直接進行糾纏分發只能達到百公里量級，要想實現長程的糾纏分發則需要基于單光子量子存儲和兩光子Bell基測量的量子中繼技術。目前已經實驗驗證的量子存儲或量子中繼方案都是基于概率性光源(光子產生幾率一般低于1%且存在多光子項)的存儲，這類方案的長程糾纏分發時間預計將在分鐘量級以上。

李傳鋒研究組利用自組織量子點產生確定性單光子源(原則上光子產生幾率100%且每次有且僅有單個光子)，然后通過光纖傳輸到5 m外的另一張光學平臺上的固態量子存儲器中。他們一方面利用局部光學加熱方法調節單光子的波長與固態量子存儲器的操作波長相匹配，另一方面利用光學頻率梳技術把單光子存儲到研究組自主研發的“三明治”型固態量子存儲器中，并測得單光子偏振態的存儲保真度為91.3%。研究組進一步實驗實現確定性單光子的100個時間模式的多模式量子存儲，模式數創造了世界最高水平。

該項成果實驗演示了加速糾纏分發的兩個最重要的要素，即確定性量子光源和多模式量子存儲。前者可以指數加速糾纏分發，后者則可以線性加速，兩者結合在一起預計可以使長程糾纏分發的時間縮短到毫秒量級。該成果還首次實現了兩個固態量子節點，即量子點和固態量子存儲器的對接，向實現全固態量子網絡邁出了重要的一路;之后，在此電路上進一步覆蓋PDMS溶液并加以固化;如需要，在PDMS尚處液態時，可在其上浸沒入任意形狀的待貼附目標物體;最后，對整個對象加以降溫，以使液態金屬轉為固體，由此即可輕易地將最初的液態金屬電路完整快捷地轉印到PDMS柔性基底上。這一過程中，當 PDMS固化后，揭下 PVC膜及目標物體后，即形成內嵌有液態金屬柔性電路的PDMS器件，此時在相應管腳貼上相應IC元件并加以編程調試，即制成功能電子器件。由于PDMS基底形狀可完全與使用對象貼合，由此即達到電子器件的高度適形化制造。該技術在醫療健康、家居、環境等應用場合的傳感監測方面有重要意義，相應器件易于貼合到諸如膝蓋、腳腕、手掌、面頰、頭部、耳廓以及更多復雜形狀表面執行特定功能。研究還通過對“PVC-液態金屬-PDMS”界面微觀結構的刻畫、受力測試與仿真驗證，揭示了相應的轉印分離機理。

為展示新技術的應用特點，作者們還特別設計實現了幾類完整的可編程柔性電路，并證實其在彎曲、扭轉、拉伸等往復形變下均能保持高性能和可靠性。進一步地，結合手機生理檢測平臺與集成電路芯片，設計實現了微型柔性紅外溫度采集模塊，可通過藍牙將采集到的信號以無線方式發送至手機予以實時顯示和存儲，而同時這些器件則可以適形化方式貼合于身體表面。

相較于傳統的硬質電路，柔性電子具有重量輕、韌性好以及可承受一定形變等優勢，這使其應用范圍更為寬廣。基于相變轉印原理的液態金屬柔性電路加工方法突破了傳統工藝的局限性，更加簡便、快捷、穩定，并與現有集成電路技術較為兼容。除了能以高質量快速加工出用以滿足可穿戴設備、皮膚電子、醫學植入、柔性顯示、太陽能電池板等諸多前沿需求外，新方法的重要意義還在于，隨著液態金屬打印技術的普及，人們將有望隨心所欲地在任意物體表面實現各類柔性功能器件的定制化快速開發，這會顯著擴展傳統電子工程學的技術范疇，繼而推動個性化柔性電子應用向前快速發展。