科學通報 | 中性原子量子信息處理新進展: 超快高保真態讀取

憑借對微觀量子系統的精確操控能力, 人類正在發展量子計算、量子通信和量子精密測量等新型技術, 這些技術在一些特定任務中展現出了超越經典系統的優越性能. 為進一步拓展量子技術的應用邊界, 研究者提出了構建量子網絡的設想 [ 1 , 2 ] . 這種網絡通過連接不同量子系統, 利用其非經典關聯特性, 有望實現更安全的通信協議、分布式量子計算和更高精度的傳感測量. 實現這一愿景需要突破若干關鍵技術挑戰, 包括開發高效的量子系統-信道接口, 以及提升量子態的制備、操控和檢測能力. 其中, 長距離糾纏的建立作為核心環節, 依賴于糾纏交換和量子糾錯等技術, 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測量等手段, 顯著提高了遠距離糾纏態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讀取技術尤為關鍵, 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.

在各種量子系統中, 中性原子體系因其突出的可擴展性 [3] 、高保真度量子門操作 [4] 以及高效的原子-光子接口 [5] , 被視為構建量子網絡的理想平臺. 現代激光技術可通過光晶格或光鑷陣列捕獲數千個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. 這些原子豐富的光學躍遷為實現原子內態與光場的耦合提供了天然通道, 使靜態的原子比特能夠與作為飛行比特的光子建立量子連接, 進而構建原子間量子網絡. 此外, 強光學躍遷使原子量子態可通過熒光信號高效讀出, 借助先進單光子探測技術, 可實現高保真度的量子態測量, 為復雜量子協議的實施奠定基礎. 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, 導致熒光探測時間通常長達百微秒量級, 遠超過量子態制備和門操作所需時間, 成為網絡協議中的主要時間瓶頸. 為突破這一限制, 多個研究團隊利用腔量子電動力學(cQED)的強耦合機制, 通過光學諧振腔顯著提升了光子收集效率, 實現了快速、高保真度的無損態探測 [ 6 , 7 ] . 該方法還可通過分析腔的透射/反射譜來推斷原子狀態 [8] . 盡管如此, 現有技術的態讀取時間仍需數微秒, 未來仍需發展更快速、更精確的無損探測方案, 以滿足量子網絡在通信速率和資源效率方面的嚴苛要求.

針對這一問題, 我們利用精心設計的光纖微腔, 使得微腔模式和原子之間的耦合處于普塞爾(Purcell)區域. 在該區域, 原子的激發能夠被高效轉化為腔模光子, 同時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上, 進一步提高系統的光子輻射速率. 利用這一特性, 我們在此之前成功觀測到了單原子共振熒光中的兩光子糾纏 [9] . 在此基礎上, 結合對原子閉循環躍遷的強驅動以及一種低動量轉移的激發策略, 能夠在更短的時間內收集足夠數量的原子所輻射的光子, 探測器測得的光子計數率信號最高可達18 Mcps (clicks per second); 結合對系統穩態的數值模擬, 我們推斷光纖內的光子收集效率達到了52%. 這允許我們能在更短的時間內以更高的保真度判斷原子究竟是處于能夠被激發光學躍遷的“亮態”, 或是與激發光遠失諧的“暗態”上 [10] .

在實驗上, 如 圖1(a) 所示, 我們將經過激光冷卻后的單個銣-87原子裝載到光纖微腔內的光晶格中, 其輻射進腔的光子能夠從一側的腔鏡泄漏進入光纖的導模, 從而經過后續的濾波和收集光路被單光子計數器探測到. 首先, 我們從頻域和時域分別對光纖微腔-原子系統的普塞爾區域耦合特性進行表征. 在這一區域, 系統的激發態壽命相較于自由空間原子被增強了(2 C + 1)倍, 其中 C = g 2/(2 κγ )為系統的協同因子, 包含了cQED模型的幾個關鍵參數: 耦合強度 g 、腔模光場和原子極化的衰減速率 κ 和 γ . 通過改變對原子的驅動光頻率來測量系統的光子散射率, 我們觀察到了系統激發態的能級展寬, 在時域上與之對應地, 通過脈沖激發來測量系統的熒光衰減曲線. 如 圖1(b) 所示, 兩種測量結果都顯示, 光纖微腔-原子系統的耦合處于深度的普塞爾區域, 激發態的衰減速率和能級寬度相較于自由空間的原子均增強了約10倍, 系統的協同因子約為4.5, 這是高速率光子發射以及超快高保真態讀取的必要條件.

圖 1 (a) 單原子-光纖微腔裝置示意圖; (b) 普塞爾區域的系統協同因子表征, 分別為熒光曲線測量(上)與激發態頻率展寬測量(下); (c) 態讀取過程中的光子計數概率分布, 其所花費時長分別為 200?ns (左上)、 800?ns (右上)與 9?μs (下) [10]

在此基礎上, 我們定義原子的“亮態”和“暗態”分別為|5 2 S 1/2, F = 2, m = 2?與|52 S 1/2, F = 1, m = 0, ±1?, 只有前者能夠被態讀取時的閉循環驅動光激發到激發態|52 P 3/2, F = 3, m = 3?. 我們將原子交替制備在亮態和暗態上并施加驅動光, 統計原子處在不同狀態時探測器所測得的光子計數, 結果如 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數率18 Mcps, 態讀取過程僅需 200?ns 時即可達到99.1(2)%的保真度, 在適當延長態讀取的時間后獲得了更高的保真度, 如在 800?ns 時可以達到99.91(3)%以及在 9?μs 時可以達到99.98(5)%. 同時, 由于低動量轉移的激發策略的應用, 在態讀取過程中原子丟失的概率始終小于3‰, 展現了無損探測的特性, 能夠與需要“線路中測量”的量子糾錯協議相兼容. 未來, 通過進一步優化原子與光纖微腔的協同因子, 以及使用更高效的單光子探測器, 我們預期該系統可實現更快、保真度更高的原子態讀取.

除此之外, 我們演示了超快態探測對原子態制備的加速作用. 由于傳統上用于原子態制備的光泵浦過程依賴于概率性、非相干的自發輻射, 因此絕大多數時間被浪費在了清除少量非目標態的布居數上. 不難想象, 如果在光泵浦過程中加入態探測, 則可以利用態制備成功的信號來提前結束整個過程, 節約所需的時間. 由于我們首次使得原子態讀取的時間遠低于典型的用于原子態制備的光泵浦時間, 因此我們演示了將超快態讀取與光泵浦態制備相結合, 通過實時決定的策略, 有效地加快態制備的過程. 經過優化, 相比于傳統的光泵浦方法, 我們將“亮態”與“暗態”的制備時間分別縮短到了原來的2/3與1/4, 展示了量子信息處理中的多技術協同作用.

利用光纖微腔與中性原子的普塞爾區域耦合, 我們同時實現了高效光子收集與高速率的光子輻射, 展示了系統作為高性能原子-光子接口, 進而作為量子網絡節點的應用潛力. 在此基礎上, 我們實現了前所未有的原子態讀取速度和保真度, 并展示了其對原子態制備過程的加速作用, 這將有助于降低量子網絡應用中的時間和物理資源消耗 [ 11 , 12 ] , 為高性能量子網絡的建立打下基礎.

參考文獻

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[10] Wang J, Huang D Y, Zhou X L, et al. Ultrafast high-fidelity state readout of single neutral atom . Phys Rev Lett , 2025 , 134: 240802

[11] Briegel H J, Dür W, Cirac J I, et al. Quantum repeaters: the role of imperfect local operations in quantum communication . Phys Rev Lett , 1998 , 81: 5932 -5935

[12] Steane A M. How to build a 300 bit, 1 giga-operation quantum computer . Quantum Inf Comput , 2007 , 7: 171 -183

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