【仪表网 研发快讯】日前，北京理工大学物理学院张向东教授团队在片上集成光存储器研究方面取得重要进展。通过在硅-铒掺杂晶体异质材料上设计连续谱束缚态(Bound States in the Continuum, BIC)结构，在芯片上实现了低损耗、高光-物质耦合效率的量子存储器，其相干时间与块体晶体性能相当。这一成果为大规模量子网络的实用化奠定了技术基础，相关工作发表在《Science Advances》上[Sci. Adv. 11, eadu0976 (2025)]。北京理工大学为第一完成单位，物理学院博士研究生周湃为第一作者，陈宇辉与张向东教授为通讯作者。此外，张慧珍副教授、博士生李亭美以及中科院物理所张忠山主任工程师在样品的制备和测量上做出了十分重要的贡献。
光学量子存储器是量子通信与计算的核心组件，其性能直接影响量子网络的扩展能力，但其片上集成长期受限于材料体系的选择。稀土掺杂晶体虽然在相干时间上具有十分突出的优势，十分适合用于制备量子存储器，却面临难以规模化集成的挑战。另一方面，传统硅基光子器件虽兼容成熟工艺，但光场局域于硅材料内部，难以高效和稀土离子发生相互作用。研究团队创新性地将硅基材料的高集成度优势与稀土掺杂晶体的量子性能相结合，通过BIC效应解决了光场局域与损耗的平衡难题。
研究者提出了一种新型硅-铒掺杂晶体异质结构(图1A)，通过精准调控BIC效应(图1B)，实现了光场在芯片上的高效局域与低损耗传输。实验表明，该异质结构在1.5微米通信波段展现出显著优势：光传播损耗低至0.5 dB/cm，较传统非晶硅波导降低约10倍；同时，45%的光场能量穿透至铒掺杂晶体，使铒离子光吸收效率提升20倍以上。利用实验室自主搭建的低温光量子芯片测量系统(图1C和D)，实现了片上的光子回波存储，并进一步测量了芯片中铒离子的光学相干时间达2.6微秒，与块体材料性能一致。
图1. (A)BIC量子存储芯片结构示意图；(B)传统波导与BIC波导的等效势场对比；(C)芯片显微图像，显示密集集成的波导阵列；(D)低温光芯片测量系统。
图2. 不同器件的激发态自发发光信号测量。(a)激发功率为 654 µW 时，不同和器件的荧光信号谱。(b)激发功率 62 µW 时，不同器件荧光信号谱。
与现有方案相比，该技术兼容硅基工艺、可大规模集成的特点尤为突出。研究团队已在4×4毫米芯片上成功集成多路波导(图1C和图2)，实验验证了器件均一性。与传统的片上光存储方案相比，该BIC结构在光场调控方面具有更大的灵活性，能够实现对光子空间模式的精确控制，为进一步提高存储效率和实现多模式量子存储器提供了新的可能性。此外，该BIC结构兼容现有的硅基薄膜技术，易于规模化生产，有望推动片上集成光量子存储器的实际应用。理论分析更加进一步证明，若采用更高品质晶体，存储效率可进一步提升至90%，为多模态量子信息处理提供可能。
本项目研究得到了国家自然科学基金、北京理工大学科研启动项目及国家重点研发计划的支持。
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