2026年10月5日——对于极其脆弱的量子信息系统而言，存储量子信息的能力至关重要，但同时也充满挑战。量子信息以被称为光子的光粒子为载体进行传输，而这些光子往往必须在其他较慢的量子操作赶上之前被暂时中止（即“存储”）。这种存储必须在小至一厘米的微芯片上完成——而光只需几万亿分之一秒就能走完这段距离。若能将光子存储一微秒，将是量子芯片能力的一次巨大飞跃。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Grainger工程学院的一项新研究通过开发一种集成式片上纳米光子平台来应对这一挑战，以实现光子的更长时间存储。该研究由物理学教授Elizabeth Goldschmidt领导，并发表在Nano Letters上。该团队的集成平台利用了光谱烧孔的多功能性与薄膜铌酸锂的可扩展性，使其具备规模化制造的潜力，对经典光子学和量子光子学均具有重要意义。

“还没有其他人在这样的平台上、具备这种可扩展潜力的条件下，在芯片上实现光的存储，”该论文共同第一作者、电气工程研究生Priyash Barya说。“我们的技术是做到这一点的唯一途径，而且我们是在量子光学和量子信息系统领域最领先的平台之一上实现的。这是一个具有产业可扩展性的未来型平台。”

存储光子大致有两种方式。利用传统光子学——这一领域使用光纤、反射镜等宏观元件——科学家可以通过延长光的传播路径来延迟光，但这需要付出代价。光子很容易被物质吸收，而传播距离越长，被吸收的可能性就越大。光子很难在量子相关延迟所需的距离上存活下来，这使得传统光子学存储效率极低。另一种方式是将光子与高度相干的原子耦合，以实现更长时间的存储。然而，将这类原子与可扩展的纳米光子平台集成，目前基本上无法实现。

“长延迟是量子信息处理中一个尚未解决的难题，”该论文共同第一作者、物理学研究生Daren Chen说。“我们希望利用我们的纳米光子平台，展示一种非常有前景的解决途径。”

Goldschmidt实验室的成员通过在此前稀土掺杂材料体系以及光谱烧孔诱导慢光方面的研究基础上继续推进，来解决这一问题。伊利诺伊大学的研究人员制备了一种由薄膜铌酸锂（TFLN）制成的纳米级波导。这种材料以强光限制、低光学损耗和晶圆级集成而著称，并掺入了具有理想量子特性的铒原子。他们使用可调谐激光器将原子在光谱上排列成梳状图案，各频率峰之间间隔均匀。这种设计被称为原子频率梳，它使原子能够暂时“捕获”并“保持”入射光子一段预设的时间。

由此制成的器件展示了对量子信息的高保真保存，存储时间超过1微秒，并且能够同时存储多个光子。最重要的是，它具备商业规模化的潜力，且易于复制。

“这并不是一件一次性的定制器件，”Goldschmidt说。“它的前景在于其简单性：我们把通常只能在高度专业化的实验室环境中完成的事情，重新移植到一个可以由完全不懂量子光学的人商业化大规模制造的平台上。”

Goldschmidt认为，这一开创性平台是朝着将量子存储器集成到可扩展的、基于芯片的量子计算机和通信网络迈出的一步。该器件的实用版本还需要展示出更好的读取效率和更长的存储时间——该团队将通过改进其频率梳，并试验对噪声更具抵抗力的不同铒同位素来推进这些工作。Goldschmidt的实验室还在探索该技术的其他应用。

“这个项目只是我们正在开展的工作中的一部分，”Goldschmidt说。“我们正在这个特定的集成光子学平台上积累能力，我们还有许多其他计划，利用这种对系综进行光谱剪裁的技术来构建其他量子光子学器件。”