导读
在量子光学技术领域，量子存储器是实现长距离量子通信与量子计算中延迟调控的核心器件。近日，德国柏林洪堡大学Oliver Benson团队提出基于3D纳米打印空芯波导（即“光笼”）的铯原子量子存储器，创新实现衰减相干光脉冲的存储与多光笼芯片级集成，解决了传统空芯光纤波导在填充时间、尺寸兼容性及大规模集成方面的瓶颈问题。该研究成果发表于国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Light Storage in Light Cages: A Scalable Platform for Multiplexed Quantum Memories”，德国柏林洪堡大学的Esteban Gómez-López为论文第一作者兼通讯作者。
量子中继与光子量子计算对空间多路复用量子存储器需求迫切，现有基于空心光纤的系统存在原子蒸气填充耗时长、结构设计受限、难以芯片集成等缺陷。该研究通过光笼的侧向原子扩散通道、氧化铝涂层稳定性优化及3D纳米打印，实现了毫秒级原子填充。其结构稳定，多光笼性能一致，同时拓展了光存储效率、寿命与带宽。
研究背景
量子信息技术的突破高度依赖量子存储器的性能提升。在长距离量子通信中，量子信道的信号损耗需通过量子中继器中的纠缠交换解决，而量子存储器是实现量子隐形传态与纠缠同步的关键单元。热原子蒸气基于电磁诱导透明机制，具有技术复杂度低、潜在可扩展性强的优势，已实现数百毫秒的光存储，但现有与波导结合的方案多数依赖空心光纤，面临三大核心局限：一是原子填充需数月甚至数年；二是光纤拉制工艺限制结构设计灵活性；三是难以与光子芯片集成，制约多路复用能力。
为突破上述限制，3D纳米打印的“光笼”空芯波导成为理想替代方案。其作为反共振型波导，具备侧向原子扩散通道、可定制几何参数及芯片级集成潜力，此前已在光流体分析、光谱学等领域验证可行性，为量子存储器的微型化与多路复用提供了新路径。
创新研究
研究团队首次采用3D 纳米打印空芯光笼作为铯原子蒸气量子存储载体，通过双光子聚合技术制备于硅基片，经100nm氧化铝涂层修饰后，在铯蒸气中5年稳定无降解，且原子填充时间从传统空心光纤的数月缩短至数天。如图 1所示，单芯片可集成多个光笼，结构重复性达纳米级，光传输效率达到20%，为集成化存储奠定基础。
图1：基于芯片空心核光笼（LC）的空间复用量子存储器。
该研究基于电磁诱导透明可以实现衰减相干光脉冲存储，时间达数百纳秒。如图2、3所示，由于高功率会降低脉冲压缩效率，因此在低功率下可以实现更高的存储效率，实验测得带宽为35.2 (6) MHz。
图2：光笼中的电磁诱导透明（EIT）现象。
图3：光笼中的光存储。
单芯片可集成多光笼于同一铯蒸气池，如图4所示，两个光笼存储寿命分别为 86 (3) ns、87 (3) ns，性能高度一致，这证实了纳米打印的可重复性。该架构有效地提升了集成密度，为量子中继器中单光子同步、量子计算延迟调控提供了可扩展平台。
图4：芯片上两个不同光笼中的光存储。
总结与展望
该研究首次实现基于3D纳米打印光笼的衰减相干光存储，存储时间达数百纳秒，分数延迟（存储时间/脉冲宽度）接近4，与空芯光子晶体的光纤性能相当，且具有原子填充快、结构可定制、芯片集成度高等显著优势。研究还揭示了自旋进动对存储相干性的影响，为磁控偏振调控提供了新的思路。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02085-5
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