我校郭光灿院士团队在量子网络核心器件上取得重要突破。该团队李传锋、周宗权研究组基于创新的“阻抗匹配微腔”量子存储架构，研制出效率高达80.3%、体积仅4×10⁻⁵ mm³的固态量子存储器，效率创世界纪录，且体积较现有器件缩小上千倍。该成果2月11日发表在国际知名学术期刊《自然·光子学》。

光量子存储器是构建量子中继和未来量子互联网的核心器件，直接决定量子网络的规模与速率。其中，50%的存储效率被称为“非克隆界限”，超过这一界限意味着可利用的光子多于丢失的光子，是器件迈向实际应用的关键阈值。在以往研究中，为了实现高存储效率，研究人员普遍依赖增大介质尺寸来增强光吸收能力，导致器件体积庞大（0.1 mm³-10⁴ mm³量级），制约了其规模化集成与应用。

面对这一挑战，中国科大团队独辟蹊径，构建了基于“阻抗匹配微腔”的全新量子存储架构（图1）。研究团队基于掺铕硅酸钇晶体设计了两种新型的微腔增强量子存储器：一种是利用激光在晶体内部雕刻光波导，镀膜形成波导腔；另一种则将晶体薄膜耦合开放式的光纤微腔。

图1：“阻抗匹配微腔”量子存储装置图，左侧为波导腔，右侧为光纤微腔

该架构的创新之处在于摒弃了传统的“以体积换性能”思路，而是通过微腔的光干涉效应实现对光子的完美吸收。当微腔透过率与稀土离子吸收率相等（即阻抗匹配）时，仅需200微米厚的晶体薄膜即可近乎完美地捕获单个光子。这一尺寸与头发丝的直径相当，整个存储装置的体积仅4×10-5mm3。该微型量子存储装置最终实现了80.3%的单光子存储效率，并且在突破50%效率阈值的条件下，实现了20个时间模式的并行存储。

该成果一举打破保持了16年的固态量子存储效率世界纪录（69%），并同步将器件体积缩小上千倍，成功解决了长期以来“高效率”与“小体积”难以兼得的技术难题（如图2红框所示）。这为实现高速量子中继、大容量可移动存储及规模化量子网络奠定了关键基础。审稿人对此给予高度评价：“Both cavity-enhanced memory efficiencies exceeded the 50% no-cloning threshold, representing a major milestone in integrated photonic quantum memories. These results set a new bar for photonic quantum memory technology, especially in a small device form factor enabling scalable manufacturing and high memory capacity.”（两种腔增强存储的效率都超过了50%的非克隆界限，这是集成光量子存储领域的重大里程碑。这一成果为光量子存储技术树立了新标杆，其小型化的器件形态尤为关键，为规模化制造与大容量存储奠定了基础。）”。“While they achieve record efficiencies…they also demonstrate several essential and useful features, including the storage of non-classical light, temporal multiplexing, on demand recall, and the possibility of spectral multiplexing, with efficiencies higher than the 50 % threshold.”（他们不仅实现了破纪录的存储效率…还展示了多项关键而实用的功能，包括量子光场存储、时域复用、按需读取以及频谱复用能力，且效率均高于50%阈值。）

图2：量子存储器的效率及装置体积对比，红框圈出的是本成果的结果

该成果由博士后靳明、博士生孟若然、刘肖副研究员完成光纤微腔存储实验，博士生刘沛希和朱天翔副研究员完成波导腔存储实验，博士后梁澎军生长高质量掺铕硅酸钇晶体，张超特任教授制备窄线宽量子光源。研究工作得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金委以及中国科学院的资助。周宗权得到中国科学院青年创新促进会优秀会员的资助。