量子记忆技术新突破：3D纳米打印“光笼”实现可扩展、高稳定性的原子存储
量子信息存储的必要性量子信息的存储对量子计算和全球量子互联网的未来至关重要。现有的量子通信系统在长距离传输中遭遇信号衰减，限制了量子信息的传播范围。量子记忆通过实现量子中继器（quantum repeater），让信息通过纠缠交换“跳跃式”传递，从而克服衰减问题。
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一项新研究（发表于 Light: Science & Applications）报道了这一领域的重大进展。来自柏林洪堡大学（Humboldt‑Universität zu Berlin）、莱布尼茨光子技术研究所（Leibniz Institute of Photonic Technology）以及斯图加特大学（University of Stuttgart）的研究人员开发了一种新型量子记忆：基于3D纳米打印的“光笼”结构，内部填充原子蒸气。将光与原子集成于同一芯片上，该平台具备可扩展性，并能无缝集成至量子光子系统。
艺术化呈现中，几个空心光笼引导光线穿过它们的核心，全部浸没在铯气氛中。其核心区域的独特侧向通道允许铯原子快速扩散，同时提供优异的光学场约束。图片来源：埃斯特班·戈麦斯-洛佩兹等人。
“光笼”为何与众不同光笼 是一种空心芯波导，设计目标是既能紧密引导光，又能让内部空间得到自由访问。与传统空心光纤需要数月才能填充原子蒸气不同，光笼的开放结构使铯原子能更快地扩散进入芯内，仅需数天即可完成填充，且不影响光学性能。
这些结构通过两光子聚合光刻（two‑photon polymerization lithography）与商业3D打印系统直接在硅芯片上打印出精细的空心波导，具有极高的制造精度。为防止铯与波导材料发生化学反应，波导表面被涂覆保护层。经长期测试，五年操作后仍无任何降解迹象，显示系统具备长寿命稳定性。
“我们创造了一种导波结构，既能快速让气体和液体在芯内扩散，又具备3D纳米打印所带来的多功能性和可重复性。这使得该平台具备真正的可扩展性——不仅可以在单块芯片上内制波导，也能批量生产多块性能相同的芯片。” 研究团队表示。
将光转化为可存储的量子信息光笼内部，入射光脉冲被高效地转化为周围原子的集体激发。经过设定的存储时间后，控制激光反向触发，精准释放已存储的光脉冲。一次关键实验中，研究者成功存储了仅含数光子的弱光脉冲，存储时长达到数百纳秒。团队相信，该方法有望进一步延长至单光子级别的存储时长（数毫秒）。
另一个重要里程碑是将多枚光笼量子记忆集成在同一芯片内，并置于铯蒸气单元中。测量显示，同一设计的不同光笼在同一芯片的两块设备上提供了近乎相同的存储性能。这种一致性对构建可扩展量子系统至关重要。
高度可重复性源于3D纳米打印的精准度：同一芯片内的尺寸误差低于 2 nm，芯片间差异低于 15 nm。如此严密的控制对空间多路复用（spatial multiplexing）极为关键，后者能显著提升同一设备上并行运行的量子记忆数量。
对量子网络与计算的意义量子中继网络：光笼量子记忆能够在同一时间同步多束单光子，大幅提升长距离量子通信的效率。
光子量子计算：这些记忆提供必要的可控延迟，为基于测量的量子计算系统中的前馈操作提供支持。
该平台的另一大优势在于其实用性：与许多竞争技术不同，它略高于室温即可工作，无需低温冷却或复杂的原子捕获装置，便于部署且每个记忆模式带宽更高。能够在单芯片上生产多枚相同的量子记忆，为大规模光子集成铺平道路。
借助其灵活的制程，光笼技术可与直接光纤耦合以及现有光子元件结合，进一步提升其在未来量子通信基础设施中的竞争力。
可扩展发展的路径光笼量子记忆的出现标志着量子光子学研究的一大进步。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。
勇编撰自论文"Light storage in light cages: a scalable platform for multiplexed quantum memories".Light: Science & Applications.2026相关信息
