我科學家實現超快高保真度中性原子態探測

光纖微腔—中性原子腔量子電動力學系統示意圖。受訪單位供圖

記者6月25日從中國科學技術大學獲悉，中國科學院院士、該校教授郭光燦團隊在中性原子量子信息研究領域取得重要進展。團隊成員李傳鋒、王健研究組利用光纖微腔與中性原子的普塞爾（Purcell）區域耦合，實現了超快高保真度的原子態讀出，其速度和保真度均創造公開報道最高紀錄。該成果論文日前發表于《物理評論快報》。

中性原子因出色的可擴展性、成熟的門操作和光學波段接口，成為極具潛力的量子通信與量子計算平臺。然而，態讀出和態制備消耗了中性原子量子計算與量子網絡協議的大多數時間。因此，提升讀出速度與保真度對降低時間和物理資源消耗至關重要。由于受限于淺勢阱深度、低光子散射率及探測效率，自由空間原子的態讀取時長最短為百微秒量級。即使已有研究利用強耦合光學腔提高光子收集效率，原子態的讀出仍需至少幾微秒。

針對這個問題，研究組利用工作在普塞爾區域的光纖微腔—中性原子腔量子電動力學系統，在提高光子收集效率的同時，極大增強了原子的光子輻射速率。該系統的協同因子達到4.7，原子的自發輻射速率提升了約10倍，展現出作為高性能中性原子—光子量子接口和量子網絡節點的潛能。

在此基礎上，研究組利用對閉循環躍遷的強共振驅動，結合低動量轉移的激發策略，將腔內讀出光子的探測計數率提升至18M/s。憑借極高的熒光亮度，他們在200納秒的時間窗口內實現了保真度達99.1％的原子態讀出，并在9微秒的時間窗口內把保真度提升到了99.985％，兩項指標均創造公開報道最高紀錄。同時，在態讀出過程中丟失原子的概率始終低于3‰，展現了無損探測的特性，可兼容需要線路中測量的量子糾錯協議。該超快高保真讀出技術首次使原子態讀出速度超越光泵浦態制備速度。通過采用實時決定的方法，研究組還將原子態制備時間較傳統光泵浦方法縮短4倍。因此，這一工作為理解多技術協同機制、優化量子協議性能等提供了新思路。

研究人員認為，該成果實現了超快高保真度的原子態讀出，對于減少量子計算中的時間和物理資源消耗，以及實現長程可擴展量子網絡具有重要意義。（記者吳長鋒）

(責編：郝孟佳、李昉)

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