发表机构
Chimie ParisTech, PSL University, CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris; Institute for Quantum Materials and Technologies (IQMT), Karlsruhe Institute of Technology; Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay CNRS, Université Paris-Saclay UMR 8182; Institute of Nanotechnology (INT), Karlsruhe Institute of Technology; Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMFi), Karlruhe Institute of Technology (KIT); Centre Européen de Sciences Quantiques (CESQ), Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaires (ISIS), Strasbourg（巴黎高等化学学院，PSL大学，法国国家科学研究中心，巴黎化学研究所; 卡尔斯鲁厄理工学院量子材料与技术研究所; 奥赛分子与材料化学研究所，法国国家科学研究中心，巴黎-萨克雷大学; 卡尔斯鲁厄理工学院纳米技术研究所; 卡尔斯鲁厄纳米微设施，卡尔斯鲁厄理工学院; 欧洲量子科学中心，超分子科学与工程研究所，斯特拉斯堡）
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提出基于化学工程分子Eu$^\ ext{3+}$配合物的HAGEM宽带量子存储方案，实验实现14.9%效率和200MHz带宽，首次展示分子工程量子应用，并建立稀土固态材料化学工程框架。
AI 中文摘要
宽带量子存储器件是未来量子网络的关键要素。在此，我们提出一种名为“空穴-反空穴光栅回波存储”（HAGEM）的宽带量子存储方案，适用于固体中的稀土离子。我们提供了一种具有特殊超精细能级结构的Eu$^\ ext{3+}$分子配合物，其超精细能级间隔处于特定的数学关联中，这种关联可通过化学工程手段获得。利用该存储协议和材料，我们实验演示了14.9%的量子光存储效率和200MHz的存储带宽，且该带宽可轻松扩展至数GHz。通过这一演示，我们展示了首个由分子工程实现的量子应用，这是任何现有Eu$^\ ext{3+}$固态材料都无法实现的。此外，我们提供了一个用于量子应用的含稀土离子固态材料化学工程框架，包括材料设计、合成与表征技术，以及用于分析固体中稀土（RE）离子量子特性的分析方法。这项工作开辟了一个新方向，使分子稀土离子能够用于现有固态材料无法实现的广泛量子应用，这将极大地促进面向实际应用的分子量子发射器系统的发展。
英文摘要
Broadband quantum memory devices are essential elements for future quantum networks. Here we propose a broadband quantum memory scheme called Hole Anti-hole Grating Echo Memory (HAGEM) for rare-earth ions in solids, which can be implemented with most of the present rare-earth ions hosted in various types of solids. Using HAGEM, a quantum memory device with one billion temporal modes per second can be developed with current available technologies. To validate the memory protocol, we conducted some proof-of-concept experiments. We provide a Eu$^\text{3+}$ molecular complex with special hyperfine level structures of which the hyperfine level separations are in a specific mathematical correlation that can be obtained by harnessing chemical engineering. Using the proposed memory protocol and material, we experimentally demonstrate a single-mode quantum optical storage efficiency of 14.9% and a memory bandwidth of 200MHz, which can easily be extended to a few GHz. In addition, a multi-mode storage of four temporal modes is achieved with a storage efficiency of 1.3%. Broadband & large-multimode quantum memory device with a long storage time enabled by HAGEM integrating with the current available entangled photon pair source and tunable delay lines, a quantum repeater network with an entanglement distribution rate on the order of 1kHz - 10kHz can be created with a communication distance around 100km. This will greatly facilitate the development of quantum networks in near future.
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