困扰量子界多年的难题，被芯片攻克了

对于极其脆弱的量子信息系统而言，量子信息的存储至关重要，同时难度极大。量子信息由光子（光粒子）承载传输，当需要等待其他耗时更长的量子运算完成时，光子往往需要被临时“暂停”或存储。这类存储操作必须在仅1厘米（0.4英寸）大小的微芯片上实现，光走完这段距离只需几万亿分之一秒。若能将光子存储时长提升至微秒级，量子芯片性能将迎来巨大突破。

当前全球量子计算产业正从原理验证逐步向小规模原型机落地过渡，而量子存储器正是制约规模化量子硬件发展的核心瓶颈之一。不管是光量子计算机内部的量子态中继，还是量子通信网络里的信号同步，都需要稳定、可集成的量子存储单元。缺少片上量子存储器，光子信号只能瞬时传输，不同量子运算模块之间难以协同调度，大规模量子系统的搭建就无从谈起。行业内多条技术路线并行发展，超导、离子阱、光量子各自有不同的短板，光量子路线凭借室温运行、天然抗电磁干扰等优势备受关注，但光子存储难题长期拖累其产业化进度。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格雷inger工程学院的一项新研究攻克了这一难题，研发出片上集成纳米光子平台，可实现光子更长时间存储。

该研究由物理学教授伊丽莎白·戈德施密特牵头，成果发表于《纳米快报》。研究介绍这套集成平台结合了光谱烧孔技术的灵活性与薄膜铌酸锂的可量产特性，具备规模化制造潜力，对经典光子学与量子光子学领域均有重要价值。薄膜铌酸锂近年来已经成为集成光子产业的主流材料平台，多家光通信与光子芯片企业已经布局晶圆产线，这也意味着，基于该材料开发的量子器件，未来有机会复用现有光子芯片制造工艺，大幅降低产业化转换成本，这也是本研究区别于很多仅停留在实验室定制样品的量子成果的关键优势。

论文共同第一作者、普里亚什·巴里亚表示：“此前还没有人能在这类具备规模化潜力的平台上实现片上光存储。”我们这套方案是独有的实现路径，并且搭建在量子光学与量子信息系统的主流平台之上。这是面向未来、具备产业量产能力的技术。”

传统光子存储的局限

光子存储主要分为两大类方案。 第一种是传统光子学方案：依靠光纤、反射镜等宏观器件，通过延长光的传播路径实现光延迟，但存在明显短板。光子极易被物质吸收，传输距离越长，被吸收的概率越高。

想要达到量子运算所需的延迟时长，光子很难在长距离传输中存活，因此传统光子存储效率很低。 第二种方案是将光子耦合到高相干原子，实现更长存储时间。但很难把这类原子集成到可规模化的纳米光子平台中。这类原子系综存储方案虽然存储性能优异，但大多需要复杂的真空、低温配套装置，系统体积庞大，很难和光子芯片单片集成，更难以批量生产。这也是学术界长期以来的两难：要么存储简单但保真度差，要么量子性能好但无法芯片化。

论文共同第一作者、达伦·陈说：“长时延存储是量子信息处理领域悬而未决的难题。我们希望利用自研纳米光子平台，验证这条极具前景的技术路线。”

放眼全球科研竞争格局，欧美多国团队都在攻关片上光子量子存储器。部分研究在分立光学平台实现了不错的存储指标，但器件集成度不足；另有团队在硅基光子芯片上尝试光子存储，却面临材料本身量子相干性能不足的问题。如何平衡量子性能、片上集成能力和量产可行性，是当前赛道竞争的核心。伊利诺伊团队选择薄膜铌酸锂+铒掺杂的路线，正是试图在三者之间找到可行平衡点。

铒原子在芯片上“锁住”光

戈德施密特团队在稀土掺杂材料体系与光谱烧孔慢光相关前期研究基础上开展本次工作。研究人员制备出基于薄膜铌酸锂（TFLN）的纳米波导。薄膜铌酸锂拥有极强的光限制能力、低光损耗，支持晶圆级集成；团队在材料中掺入铒原子，铒原子具备理想的量子特性。铒元素的能级特性适配通信波段光子，这一点尤为关键。量子通信与集成光子系统大多工作在通信波段，意味着该器件未来可以直接对接现有光通信产业链，降低跨技术体系兼容成本。

研究使用可调谐激光器，将原子的光谱排布成梳状结构，各频率峰间距均匀，即原子频率梳。该结构能让原子按预设时长，临时捕获并留存入射光子。原子频率梳技术并非全新概念，但过去大多应用在块体晶体中，本次研究把这套机制移植到薄膜铌酸锂片上波导之中，实现了器件微型化。

这款器件可以高保真地保存量子信息，存储时间超过1微秒，并且支持同时存储多个光子。多光子同时存储能力是迈向并行量子运算的重要基础，单一光子存储仅能满足简单时序调度，而多光子存储才可以支撑更复杂的量子态交互。最重要的是，该器件具备商业化量产潜力，易于复刻。

戈德施密特说：“这不是一次性定制实验装置。它的优势在于简单：过去只能在高度专业实验室中完成的实验，现在被移植到一套平台上，即便不懂量子光学的技术人员，也能大规模工业化生产。”

产业层面，当前全球量子硬件仍以科研原型为主，成本高昂，定制化程度高。很多量子器件每次制备都需要精细调试，很难复制。而这项研究依托成熟薄膜铌酸锂工艺，意味着未来有望像普通光子芯片一样，在晶圆上批量制造，降低单颗器件成本。当然，目前成果仍属于实验室原型，距离商用芯片还有较长的工程化周期，不能等同于可用的商用量子存储器。

进一步提升读取效率与存储时长

戈德施密特认为，这套开创性平台是把量子存储器集成到可扩展片上量子计算机与量子通信网络的重要一步。在量子互联网的蓝图中，量子存储器是量子中继器的核心部件。没有高性能量子存储器，远距离量子通信只能依靠可信节点方案，无法实现真正的全量子中继传输。而在片上光量子计算机内部，量子存储器相当于系统的“内存”，用来同步不同光路的光子时序，支撑更大规模量子比特阵列协同运算。

该器件的实用化版本还需要提升光子读取效率、拉长存储时间。团队接下来会优化原子频率梳结构，尝试选用抗干扰能力更强的铒同位素。实验室也在探索这项技术的更多应用场景。目前1微秒的存储时长，能够满足部分片上短时序光子调度需求，但面向远距离量子中继，还需要提升几个数量级。光子读取效率同样是硬指标，存储之后高效读出量子态，才能保证整体系统保真度，减少量子信息损耗。

“本项目只是我们研究体系中的一环，”戈德施密特介绍，“我们正在持续完善这套集成光子平台的能力，还计划利用光谱调控原子系综的技术，研发更多量子光子学器件。”

从全球技术竞争角度看，该成果补齐了薄膜铌酸锂光子芯片生态的一块短板。薄膜铌酸锂已经在经典光通信调制器领域实现落地，现在逐步拓展到量子器件方向，有望形成一套“经典+量子”复用的集成光子平台。不过也需要客观看待，量子存储赛道多条路线并行，没有任何一条技术路线已经锁定最终方案。超导量子、离子阱、硅光、稀土掺杂光子芯片各有优劣，未来大概率会在不同场景下各自发展。这项研究证明了薄膜铌酸锂基稀土掺杂量子存储器的可行性，但后续材料工艺优化、噪声抑制、系统集成等工程挑战，仍需要学术界与产业界持续投入，才能真正推动量子存储器从实验室原型走向产业化应用。