我科學(xué)家實(shí)現(xiàn)超快高保真度中性原子態(tài)探測(cè)

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

記者6月25日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，中國(guó)科學(xué)院院士、該校教授郭光燦團(tuán)隊(duì)在中性原子量子信息研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)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(shí)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(kāi)報(bào)道最高紀(jì)錄。該成果論文日前發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

中性原子因出色的可擴(kuò)展性、成熟的門(mén)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(jì)算平臺(tái)。然而，態(tài)讀出和態(tài)制備消耗了中性原子量子計(jì)算與量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的大多數(shù)時(shí)間。因此，提升讀出速度與保真度對(duì)降低時(shí)間和物理資源消耗至關(guān)重要。由于受限于淺勢(shì)阱深度、低光子散射率及探測(cè)效率，自由空間原子的態(tài)讀取時(shí)長(zhǎng)最短為百微秒量級(jí)。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(duì)這個(gè)問(wèn)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(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，在提高光子收集效率的同時(shí)，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(duì)閉循環(huán)躍遷的強(qiáng)共振驅(qū)動(dòng)，結(jié)合低動(dòng)量轉(zhuǎn)移的激發(fā)策略，將腔內(nèi)讀出光子的探測(cè)計(jì)數(shù)率提升至18M/s。憑借極高的熒光亮度，他們?cè)?00納秒的時(shí)間窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)了保真度達(dá)99.1％的原子態(tài)讀出，并在9微秒的時(shí)間窗口內(nèi)把保真度提升到了99.985％，兩項(xiàng)指標(biāo)均創(chuàng)造公開(kāi)報(bào)道最高紀(jì)錄。同時(shí)，在態(tài)讀出過(guò)程中丟失原子的概率始終低于3‰，展現(xiàn)了無(wú)損探測(cè)的特性，可兼容需要線路中測(cè)量的量子糾錯(cuò)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(guò)采用實(shí)時(shí)決定的方法，研究組還將原子態(tài)制備時(shí)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(shí)現(xiàn)了超快高保真度的原子態(tài)讀出，對(duì)于減少量子計(jì)算中的時(shí)間和物理資源消耗，以及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。（記者吳長(zhǎng)鋒）

(責(zé)編：郝孟佳、李昉)

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