憑借對(duì)微觀量子系統(tǒng)的精確操控能力, 人類正在發(fā)展量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量等新型技術(shù), 這些技術(shù)在一些特定任務(wù)中展現(xiàn)出了超越經(jīng)典系統(tǒng)的優(yōu)越性能. 為進(jìn)一步拓展量子技術(shù)的應(yīng)用邊界, 研究者提出了構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想 [ 1 , 2 ] . 這種網(wǎng)絡(luò)通過連接不同量子系統(tǒng), 利用其非經(jīng)典關(guān)聯(lián)特性, 有望實(shí)現(xiàn)更安全的通信協(xié)議、分布式量子計(jì)算和更高精度的傳感測(cè)量. 實(shí)現(xiàn)這一愿景需要突破若干關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn), 包括開發(fā)高效的量子系統(tǒng)-信道接口, 以及提升量子態(tài)的制備、操控和檢測(cè)能力. 其中, 長(zhǎng)距離糾纏的建立作為核心環(huán)節(jié), 依賴于糾纏交換和量子糾錯(cuò)等技術(shù), 這些方法通過引入額外糾纏資源、增加量子門操作和量子態(tài)測(cè)量等手段, 顯著提高了遠(yuǎn)距離糾纏態(tài)的生成速率和保真度. 在此過程中, 快速且高保真度的量子態(tài)讀取技術(shù)尤為關(guān)鍵, 它直接影響通信速率, 并能有效降低量子門操作和物理資源的消耗.

在各種量子系統(tǒng)中, 中性原子體系因其突出的可擴(kuò)展性 [3] 、高保真度量子門操作 [4] 以及高效的原子-光子接口 [5] , 被視為構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的理想平臺(tái). 現(xiàn)代激光技術(shù)可通過光晶格或光鑷陣列捕獲數(shù)千個(gè)激光冷卻的中性原子, 并利用微波或激光脈沖精確操控其量子態(tài). 這些原子豐富的光學(xué)躍遷為實(shí)現(xiàn)原子內(nèi)態(tài)與光場(chǎng)的耦合提供了天然通道, 使靜態(tài)的原子比特能夠與作為飛行比特的光子建立量子連接, 進(jìn)而構(gòu)建原子間量子網(wǎng)絡(luò). 此外, 強(qiáng)光學(xué)躍遷使原子量子態(tài)可通過熒光信號(hào)高效讀出, 借助先進(jìn)單光子探測(cè)技術(shù), 可實(shí)現(xiàn)高保真度的量子態(tài)測(cè)量, 為復(fù)雜量子協(xié)議的實(shí)施奠定基礎(chǔ). 然而, 自由空間中的中性原子面臨囚禁阱深淺和光子收集效率低的限制, 導(dǎo)致熒光探測(cè)時(shí)間通常長(zhǎng)達(dá)百微秒量級(jí), 遠(yuǎn)超過量子態(tài)制備和門操作所需時(shí)間, 成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的主要時(shí)間瓶頸. 為突破這一限制, 多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用腔量子電動(dòng)力學(xué)(cQED)的強(qiáng)耦合機(jī)制, 通過光學(xué)諧振腔顯著提升了光子收集效率, 實(shí)現(xiàn)了快速、高保真度的無(wú)損態(tài)探測(cè) [ 6 , 7 ] . 該方法還可通過分析腔的透射/反射譜來(lái)推斷原子狀態(tài) [8] . 盡管如此, 現(xiàn)有技術(shù)的態(tài)讀取時(shí)間仍需數(shù)微秒, 未來(lái)仍需發(fā)展更快速、更精確的無(wú)損探測(cè)方案, 以滿足量子網(wǎng)絡(luò)在通信速率和資源效率方面的嚴(yán)苛要求.

針對(duì)這一問題, 我們利用精心設(shè)計(jì)的光纖微腔, 使得微腔模式和原子之間的耦合處于普塞爾(Purcell)區(qū)域. 在該區(qū)域, 原子的激發(fā)能夠被高效轉(zhuǎn)化為腔模光子, 同時(shí)腔模的耗散速率超過真空拉比振蕩, 即cQED模型中腔模與原子之間的相干光子交換過程, 從而可以在保證高效率收集光子的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步提高系統(tǒng)的光子輻射速率. 利用這一特性, 我們?cè)诖酥俺晒τ^測(cè)到了單原子共振熒光中的兩光子糾纏 [9] . 在此基礎(chǔ)上, 結(jié)合對(duì)原子閉循環(huán)躍遷的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)以及一種低動(dòng)量轉(zhuǎn)移的激發(fā)策略, 能夠在更短的時(shí)間內(nèi)收集足夠數(shù)量的原子所輻射的光子, 探測(cè)器測(cè)得的光子計(jì)數(shù)率信號(hào)最高可達(dá)18 Mcps (clicks per second); 結(jié)合對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬, 我們推斷光纖內(nèi)的光子收集效率達(dá)到了52%. 這允許我們能在更短的時(shí)間內(nèi)以更高的保真度判斷原子究竟是處于能夠被激發(fā)光學(xué)躍遷的“亮態(tài)”, 或是與激發(fā)光遠(yuǎn)失諧的“暗態(tài)”上 [10] .

在實(shí)驗(yàn)上, 如 圖1(a) 所示, 我們將經(jīng)過激光冷卻后的單個(gè)銣-87原子裝載到光纖微腔內(nèi)的光晶格中, 其輻射進(jìn)腔的光子能夠從一側(cè)的腔鏡泄漏進(jìn)入光纖的導(dǎo)模, 從而經(jīng)過后續(xù)的濾波和收集光路被單光子計(jì)數(shù)器探測(cè)到. 首先, 我們從頻域和時(shí)域分別對(duì)光纖微腔-原子系統(tǒng)的普塞爾區(qū)域耦合特性進(jìn)行表征. 在這一區(qū)域, 系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)壽命相較于自由空間原子被增強(qiáng)了(2 C + 1)倍, 其中 C = g 2/(2 κγ )為系統(tǒng)的協(xié)同因子, 包含了cQED模型的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù): 耦合強(qiáng)度 g 、腔模光場(chǎng)和原子極化的衰減速率 κ 和 γ . 通過改變對(duì)原子的驅(qū)動(dòng)光頻率來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的光子散射率, 我們觀察到了系統(tǒng)激發(fā)態(tài)的能級(jí)展寬, 在時(shí)域上與之對(duì)應(yīng)地, 通過脈沖激發(fā)來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的熒光衰減曲線. 如 圖1(b) 所示, 兩種測(cè)量結(jié)果都顯示, 光纖微腔-原子系統(tǒng)的耦合處于深度的普塞爾區(qū)域, 激發(fā)態(tài)的衰減速率和能級(jí)寬度相較于自由空間的原子均增強(qiáng)了約10倍, 系統(tǒng)的協(xié)同因子約為4.5, 這是高速率光子發(fā)射以及超快高保真態(tài)讀取的必要條件.

圖 1 (a) 單原子-光纖微腔裝置示意圖; (b) 普塞爾區(qū)域的系統(tǒng)協(xié)同因子表征, 分別為熒光曲線測(cè)量(上)與激發(fā)態(tài)頻率展寬測(cè)量(下); (c) 態(tài)讀取過程中的光子計(jì)數(shù)概率分布, 其所花費(fèi)時(shí)長(zhǎng)分別為 200?ns (左上)、 800?ns (右上)與 9?μs (下) [10]

在此基礎(chǔ)上, 我們定義原子的“亮態(tài)”和“暗態(tài)”分別為|5 2 S 1/2, F = 2, m = 2?與|52 S 1/2, F = 1, m = 0, ±1?, 只有前者能夠被態(tài)讀取時(shí)的閉循環(huán)驅(qū)動(dòng)光激發(fā)到激發(fā)態(tài)|52 P 3/2, F = 3, m = 3?. 我們將原子交替制備在亮態(tài)和暗態(tài)上并施加驅(qū)動(dòng)光, 統(tǒng)計(jì)原子處在不同狀態(tài)時(shí)探測(cè)器所測(cè)得的光子計(jì)數(shù), 結(jié)果如 圖1(c) 中的直方圖所示. 從直方圖中可以推斷, 得益于極高的光子計(jì)數(shù)率18 Mcps, 態(tài)讀取過程僅需 200?ns 時(shí)即可達(dá)到99.1(2)%的保真度, 在適當(dāng)延長(zhǎng)態(tài)讀取的時(shí)間后獲得了更高的保真度, 如在 800?ns 時(shí)可以達(dá)到99.91(3)%以及在 9?μs 時(shí)可以達(dá)到99.98(5)%. 同時(shí), 由于低動(dòng)量轉(zhuǎn)移的激發(fā)策略的應(yīng)用, 在態(tài)讀取過程中原子丟失的概率始終小于3‰, 展現(xiàn)了無(wú)損探測(cè)的特性, 能夠與需要“線路中測(cè)量”的量子糾錯(cuò)協(xié)議相兼容. 未來(lái), 通過進(jìn)一步優(yōu)化原子與光纖微腔的協(xié)同因子, 以及使用更高效的單光子探測(cè)器, 我們預(yù)期該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更快、保真度更高的原子態(tài)讀取.

除此之外, 我們演示了超快態(tài)探測(cè)對(duì)原子態(tài)制備的加速作用. 由于傳統(tǒng)上用于原子態(tài)制備的光泵浦過程依賴于概率性、非相干的自發(fā)輻射, 因此絕大多數(shù)時(shí)間被浪費(fèi)在了清除少量非目標(biāo)態(tài)的布居數(shù)上. 不難想象, 如果在光泵浦過程中加入態(tài)探測(cè), 則可以利用態(tài)制備成功的信號(hào)來(lái)提前結(jié)束整個(gè)過程, 節(jié)約所需的時(shí)間. 由于我們首次使得原子態(tài)讀取的時(shí)間遠(yuǎn)低于典型的用于原子態(tài)制備的光泵浦時(shí)間, 因此我們演示了將超快態(tài)讀取與光泵浦態(tài)制備相結(jié)合, 通過實(shí)時(shí)決定的策略, 有效地加快態(tài)制備的過程. 經(jīng)過優(yōu)化, 相比于傳統(tǒng)的光泵浦方法, 我們將“亮態(tài)”與“暗態(tài)”的制備時(shí)間分別縮短到了原來(lái)的2/3與1/4, 展示了量子信息處理中的多技術(shù)協(xié)同作用.

利用光纖微腔與中性原子的普塞爾區(qū)域耦合, 我們同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效光子收集與高速率的光子輻射, 展示了系統(tǒng)作為高性能原子-光子接口, 進(jìn)而作為量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用潛力. 在此基礎(chǔ)上, 我們實(shí)現(xiàn)了前所未有的原子態(tài)讀取速度和保真度, 并展示了其對(duì)原子態(tài)制備過程的加速作用, 這將有助于降低量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的時(shí)間和物理資源消耗 [ 11 , 12 ] , 為高性能量子網(wǎng)絡(luò)的建立打下基礎(chǔ).

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