中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊的李傳鋒、王健研究組利用光纖微腔與中性原子的普塞爾區(qū)域耦合，實現(xiàn)了超快高保真度的原子態(tài)讀出，其速度和保真度均創(chuàng)造公開報道最高紀錄。這對于降低量子計算中的時間和物理資源消耗，以及實現(xiàn)長程可擴展量子網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。6月20日，該成果發(fā)表于《物理評論快報》，并入選編輯推薦論文，同時美國物理學會Physics網(wǎng)站報道了該工作。
實驗系統(tǒng)示意圖。中國科大供圖
中性原子因出色的可擴展性、成熟的門操作和光學波段接口，成為極具潛力的量子通信與量子計算平臺。然而，態(tài)讀出和態(tài)制備消耗了中性原子量子計算與量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的大多數(shù)時間，因此提升讀出速度與保真度對降低時間與物理資源消耗至關(guān)重要。
研究組利用工作在普塞爾區(qū)域的光纖微腔-中性原子腔量子電動力學系統(tǒng)，在提高光子收集效率的同時，極大增強了原子的光子輻射速率。該系統(tǒng)的協(xié)同因子達到了4.7，原子的自發(fā)輻射速率提升了約10倍，展現(xiàn)出作為高性能中性原子-光子量子接口和量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的潛能。此前，研究組利用這一特點，在同類系統(tǒng)上首次觀測到原子共振熒光中的雙光子糾纏。
在此基礎(chǔ)上，研究組利用對閉循環(huán)躍遷的強共振驅(qū)動，結(jié)合低動量轉(zhuǎn)移的激發(fā)策略，將腔內(nèi)讀出光子的探測計數(shù)率提升至18兆每秒。憑借極高的熒光亮度，他們在200納秒的時間窗口內(nèi)實現(xiàn)了保真度99.1(2)％的原子態(tài)讀出，并在9微秒的時間窗口內(nèi)把保真度提升到了99.985(8)％，兩項指標均創(chuàng)造公開報道最高紀錄。同時，在態(tài)讀出過程中丟失原子的概率始終低于3‰，展現(xiàn)了無損探測的特性，可兼容需要“線路中測量”的量子糾錯協(xié)議。該超快高保真讀出技術(shù)首次使原子態(tài)讀出速度超越光泵浦態(tài)制備速度，通過采用實時決定的方法，研究組還將原子態(tài)制備時間較傳統(tǒng)光泵浦方法縮短4倍。因此，這一工作為理解多技術(shù)協(xié)同機制、優(yōu)化量子協(xié)議性能等提供了新思路。
審稿人對該工作給予高度評價：“本研究的重要意義在于實現(xiàn)了極高的態(tài)讀出速度與保真度，這標志著中性原子量子網(wǎng)絡(luò)研究的重要突破……該成果不僅恰逢其時，更有望在量子信息科學領(lǐng)域引發(fā)廣泛關(guān)注”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.240802
本文鏈接：中國科大實現(xiàn)超快高保真度中性原子態(tài)探測http://m.sq15.cn/show-11-22718-0.html
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