微型3D打印“光笼”或可开启量子互联网

一项发表在《光：科学与应用》上的新研究报道了该领域的重大进展。来自柏林洪堡大学、莱布尼茨光子技术研究所和斯图加特大学的研究人员介绍了一种新型量子存储器，它由填充原子蒸气的3D纳米打印结构（称为“光笼”）制成。通过将光和原子整合到单个芯片上，该团队打造了一个旨在实现可扩展性并能无缝集成到量子光子系统中的平台。

光笼的独特之处
光笼是一种空心波导，经过设计可紧密引导光线，同时允许进入其内部空间。这种设计相比传统空心光纤具有关键优势——传统空心光纤填充原子蒸气可能需要数月时间，而光笼的开放结构能让铯原子更快扩散到核心，将填充过程缩短至仅几天，且不牺牲光学性能。
这些结构是利用商用3D打印系统通过双光子聚合光刻技术制造的。这种方法使研究人员能以极高精度将复杂的空心波导直接打印到硅芯片上。为保护器件免受铯的化学反应影响，波导会覆盖一层保护层。测试表明，即使运行五年后也无降解迹象，突显了该系统的长期稳定性。
研究团队解释道：“我们创造的引导结构允许气体和流体快速扩散到其核心，同时3D纳米打印工艺提供了灵活性和可重复性。这使得该平台真正具备可扩展性，不仅可在芯片内制造波导，还能在芯片间制造，生产出性能相同的多个芯片。”

将光转化为存储的量子信息
在光笼内部，入射光脉冲被高效转换为周围原子的集体激发。经过选定的存储时间后，控制激光会逆转这一过程，在需要时精确释放存储的光。在一项关键演示中，研究人员成功将仅含少数光子的极弱光脉冲存储了数百纳秒。他们认为，这种方法最终可扩展到将单光子存储数毫秒。
另一项重要里程碑是在单个芯片上集成多个光笼存储器，并将该芯片置于铯蒸气池中。测量显示，同一芯片上两个独立器件中，设计相同的不同光笼展现出几乎一致的存储性能。这种一致性对于构建可扩展量子系统至关重要。
高可重复性源于3D纳米打印工艺的精度。单个芯片内的差异控制在2纳米以下，芯片间的差异则保持在15纳米以内。这种严格控制对空间复用技术至关重要，该技术可显著增加单个器件上协同工作的量子存储器数量。

对量子网络和计算的意义
光笼量子存储器解决了量子技术中的多个长期挑战。在量子中继器网络中，它们可同时同步多个单光子，极大提高长距离量子通信的效率。在光子量子计算中，这些存储器提供了基于测量的量子计算系统中前馈操作所需的受控延迟。
该平台还因其实用性而脱颖而出。与许多竞争技术不同，它在略高于室温的条件下运行，无需低温冷却或复杂的原子捕获装置。这使得该系统更易于部署，同时每个存储模式还具有更高的带宽。在单个芯片上制造多个相同量子存储器的能力，为大规模量子光子集成开辟了清晰路径。
得益于其灵活的制造工艺，该技术有可能与直接光纤耦合及现有光子组件相结合。这些优势使光笼量子存储器成为未来量子通信基础设施的有力候选。

可扩展的发展方向
光笼量子存储器的开发标志着量子光子学研究的重要一步。通过将先进的3D纳米打印技术与量子光学核心原理相结合，研究人员打造出一种紧凑、可扩展的系统，有望加速实用量子网络和更强大量子计算机的到来。