我科學(xué)家實現(xiàn)超快高保真度中性原子態(tài)探測

光纖微腔—中性原子腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)示意圖。受訪單位供圖

記者6月25日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，中國科學(xué)院院士、該校教授郭光燦團(tuán)隊在中性原子量子信息研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊成員李傳鋒、王健研究組利用光纖微腔與中性原子的普塞爾（Purcell）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(jì)錄。該成果論文日前發(fā)表于《物理評論快報》。

中性原子因出色的可擴(kuò)展性、成熟的門操作和光學(xué)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和物理資源消耗至關(guān)重要。由于受限于淺勢阱深度、低光子散射率及探測效率，自由空間原子的態(tài)讀取時長最短為百微秒量級。即使已有研究利用強(qiáng)耦合光學(xué)腔提高光子收集效率，原子態(tài)的讀出仍需至少幾微秒。

針對這個問題，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(xué)系統(tǒng)，在提高光子收集效率的同時，極大增強(qiáng)了原子的光子輻射速率。該系統(tǒng)的協(xié)同因子達(dá)到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(diǎn)的潛能。

在此基礎(chǔ)上，研究組利用對閉循環(huán)躍遷的強(qiáng)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18M/s。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)了保真度達(dá)99.1％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％，兩項指標(biāo)均創(chuàng)造公開報道最高紀(jì)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(jī)制、優(yōu)化量子協(xié)議性能等提供了新思路。

研究人員認(rèn)為，該成果實現(xiàn)了超快高保真度的原子態(tài)讀出，對于減少量子計算中的時間和物理資源消耗，以及實現(xiàn)長程可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。（記者吳長鋒）

(責(zé)編：郝孟佳、李昉)

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