中国科学技术大学实现了高保真度中性原子态检测

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋和王健研究小组利用光纤微腔与中性原子的普塞尔区域莲藕结合，完成了原子态读取的快速高保真度，其速度和保真度创造了公开报告的最高记录。这对减少量子计算的时间和物理能耗，实现长期可扩展的量子网络具有重要意义。6月20日，该结果在《物理评论快报》上发表，并入选编辑推荐论文。与此同时，美国物理学会Physics网站报道了这项工作。

由于其优异的可扩展性、完善的门操作和光学波段接口，中性原子已经成为一个极具潜力的量子通信和量子计算平台。然而，中性原子量子计算和量子网络协议的大部分时间都被消耗掉，因此提高读取速度和保真度对于减少时间和物理能源消耗尤为重要。

研究小组利用工作在普塞尔地区的光纤微腔-中性原子腔量子电动力学系统，大大提高了原子的光子辐射速度，同时提高了光子收集效率。该系统的协同因素达到4.7，原子的自发辐射速度提高了10倍左右，显示出作为高性能中性原子-光子量子接口和量子网络节点的潜力。此前，研究小组首次观察到原子共振荧光中的双光子纠缠，并采用了这一特性。

在此基础上，研究小组利用对闭循环越迁的强共振驱动，结合低动量转移激发策略，将腔内读取光子的检测计数率提高到每秒18兆。凭借极高的亮度，他们在200纳秒的时间窗口完成了99.1(2)的保真度。%在9微秒的时间窗口中读取原子态，将保真度提高到99.985(8)%，这两个指标都创造了公开报告的最高记录。与此同时，在态度读取过程中丢失原子的概率总是低于3。‰，它表现出无损检测的特点，可以适应需要“线路中测量”的量子纠错协议。这种快速高保真的读取技术首次使原子态的读取速度超过了光泵浦态的制备速度。通过使用即时决策方法，研究小组还将原子态的制备时间比传统光泵浦方法缩短了4倍。因此，这项工作提供了一个新的思路，以了解多技术协同机制，提高量子协议的性能。

审稿人对这项工作给予了高度评价:“这项研究的重要意义在于完成了极高的读取速度和保真度，这标志着中性原子量子网络探索的重要突破...这一成就不仅恰到好处，而且有望引起量子信息科学领域的广泛关注”。