科學通報 | 中性原子量子信息處理新進展: 超快高保真態(tài)讀取

憑借對微觀量子系統(tǒng)的精確操控能力, 人類正在發(fā)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(xiàn)出了超越經典系統(tǒng)的優(yōu)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(tǒng), 利用其非經典關聯(lián)特性, 有望實現(xiàn)更安全的通信協(xié)議、分布式量子計算和更高精度的傳感測量. 實現(xiàn)這一愿景需要突破若干關鍵技術挑戰(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、操控和檢測能力. 其中, 長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(tài)測量等手段, 顯著提高了遠距離糾纏態(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(tǒng)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(xiàn)代激光技術可通過光晶格或光鑷陣列捕獲數(shù)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(tài). 這些原子豐富的光學躍遷為實現(xiàn)原子內態(tài)與光場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, 進而構建原子間量子網絡. 此外, 強光學躍遷使原子量子態(tài)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(xiàn)高保真度的量子態(tài)測量, 為復雜量子協(xié)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(tài)制備和門操作所需時間, 成為網絡協(xié)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(xiàn)了快速、高保真度的無損態(tài)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(tài) [8] . 盡管如此, 現(xiàn)有技術的態(tài)讀取時間仍需數(shù)微秒, 未來仍需發(fā)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(qū)域. 在該區(qū)域, 原子的激發(fā)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(tǒng)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(huán)躍遷的強驅動以及一種低動量轉移的激發(fā)策略, 能夠在更短的時間內收集足夠數(shù)量的原子所輻射的光子, 探測器測得的光子計數(shù)率信號最高可達18 Mcps (clicks per second); 結合對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的數(shù)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(fā)光學躍遷的“亮態(tài)”, 或是與激發(fā)光遠失諧的“暗態(tài)”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(xù)的濾波和收集光路被單光子計數(shù)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(tǒng)的普塞爾區(qū)域耦合特性進行表征. 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模型的幾個關鍵參數(shù): 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(tǒng)的光子散射率, 我們觀察到了系統(tǒng)激發(fā)態(tài)的能級展寬, 在時域上與之對應地, 通過脈沖激發(fā)來測量系統(tǒng)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(tǒng)的耦合處于深度的普塞爾區(qū)域, 激發(fā)態(tài)的衰減速率和能級寬度相較于自由空間的原子均增強了約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, 分別為熒光曲線測量(上)與激發(fā)態(tài)頻率展寬測量(下); (c) 態(tài)讀取過程中的光子計數(shù)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(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)讀取時的閉循環(huán)驅動光激發(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)上并施加驅動光, 統(tǒng)計原子處在不同狀態(tài)時探測器所測得的光子計數(shù), 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(shù)率18 Mcps, 態(tài)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(tài)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(fā)策略的應用, 在態(tài)讀取過程中原子丟失的概率始終小于3‰, 展現(xiàn)了無損探測的特性, 能夠與需要“線路中測量”的量子糾錯協(xié)議相兼容. 未來, 通過進一步優(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器, 我們預期該系統(tǒng)可實現(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)探測對原子態(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)時間被浪費在了清除少量非目標態(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, 則可以利用態(tài)制備成功的信號來提前結束整個過程, 節(jié)約所需的時間. 由于我們首次使得原子態(tài)讀取的時間遠低于典型的用于原子態(tài)制備的光泵浦時間, 因此我們演示了將超快態(tài)讀取與光泵浦態(tài)制備相結合, 通過實時決定的策略, 有效地加快態(tài)制備的過程. 經過優(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(xié)同作用.

利用光纖微腔與中性原子的普塞爾區(qū)域耦合, 我們同時實現(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, 進而作為量子網絡節(jié)點的應用潛力. 在此基礎上, 我們實現(xiàn)了前所未有的原子態(tài)讀取速度和保真度, 并展示了其對原子態(tài)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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