TOPICAL REVIEW
Mucheng Guo, Shuping Liu, Weiye Sun, Miaomiao Ren, Fudong Wang, and Manjin Zhong*, Rare-earth quantum memories: The experimental status quo, Front. Phys. 18(2), 21303 (2023)

公众号：【综述】南方科大量子院钟满金课题组 | 稀土量子存储器：实验进展 (qq.com)

任意距离的鲁棒量子通信作为构建广域量子网络的关键问题之一，可通过使用光子作为飞行比特的载体来实现。然而，受到传输过程损耗影响，光子通过光纤等信道的成功概率呈指数衰减，使通信的距离被限制在百公里以内。突破该距离限制的一个可行方案是量子中继器协议，即将远的通信距离分割成小的基本链路，在较短的基本链路上产生纠缠并将其存储在量子存储器中，这允许在光子之间实现异步量子逻辑操作，如贝尔态测量（BSM）等，逐步将纠缠扩展到整个通信距离。

在量子中继协议中，具有高效、长寿命与多模式存储能力的量子存储器是其中的核心器件之一。近几年，一系列不同的材料体系被用来发展量子存储器，其中稀土掺杂晶体，因其光学与自旋跃迁极佳的相干特性，结合其作为固体的优势，成为发展实用化量子存储器最具潜力的材料体系之一。

近几十年间，一系列的量子存储方案被提出，就稀土掺杂晶体而言，其中最具代表性的存储方案可分为光控存储型和光子回波型存储。光控存储型的一个典型代表为电磁诱导透明（EIT）存储，基于20世纪90年代人们在稀土掺杂体系中观察到的光信号的超低群速度与无吸收透过。J. J. Longdell等人首次在Pr³⁺:Y₂SO₅中使用电磁诱导透明（EIT）实现了一秒钟以上的经典光存储；此后，G. Heinze等人在Pr³⁺:Y₂SO₅中演示了二维图像的存储与检索。目前，EIT在稀土系统中的存储效率与存储时间已经得到了较大的提升，但其存储的还基本是经典信号，尚未到量子的范畴。

在光子回波型存储方面，已经发展众多不同的存储方案，其中A. L. Alexander等人证明基于Eu³⁺:YSO晶体的光子回波型存储允许利用稀土离子掺杂晶体中静态的非均匀展宽来实现时间、频率多模的，按需的量子存储器；M. P. Hedges等人在Pr³⁺:YSO晶体中使用梯度回波存储（GEM）实现了69%的高效率量子存储，性能首次超过了无克隆的限制；H. de Riedmatten等人提出的原子频率梳（AFC）在时间多模式存储能力上不依赖材料的吸收深度，且不需要额外的外部电场或磁场控制，更具有普适性，并且，基于该方案，M. Businger等人实现了超过一千个存储模式；另外，利用腔增强AFC方案可以限制重吸收作用，其正向检索效率理论上可以达到100%上限。除此之外，Y. Z. Ma等人提出的无噪声光子回波（NLPE）在检索信噪比上具有优异表现。

南方科技大学深圳量子科学与工程研究院钟满金课题组近期于Frontiers of Physics发表“Rare-earth quantum memories: The experimental status quo”，文章综述了基于稀土掺杂晶体的量子存储近年在实验上的进展和新应用，也归纳了其所面临的主要技术挑战并提出了相应的应对方案。总体来说，稀土掺杂晶体在实用化量子存储器发展中具有很大的潜力，有望在基于量子中继的大规模量子网络中发挥重要作用。另外，该体系展现的超长相干时间（六个小时），也为远距离的量子通信提供了除了中继以外的另一种可能，即可把稀土离子晶体发展可移动量子存储硬盘，通过交通工具或者卫星来运载，从而实现两地之间的量子通信。

钟满金, 南方科技大学量子科学与工程研究院副研究员，量子存储设备课题组带头人。2007年取得厦门大学理学学士学位；2017年获澳大利亚国立大学博士学位；2017年至2018年于澳大利亚国立大学从事博士后研究。2018年9月加入南方科技大学量子科学与工程研究院，担任副研究员，成立量子存储设备实验室。研究领域包括基于稀土晶体的量子纠缠、量子存储、量子通信、量子传感与量子等。E-mail: Zhongmj@sustech.edu.cn

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