效率超1000倍！量子存储器高效同步单光子

光子盒研究院

量子物理学领域的一个长期挑战是如何有效同步独立产生的单个光子（即光粒子）。实现这一点将对依赖于多个光子之间相互作用的量子信息处理产生至关重要的影响。

最近，以色列魏兹曼科学研究院（Weizmann Institute of Science）的研究人员利用一种在室温下运行的原子量子存储器演示了独立产生的单个光子的同步，这为研究多光子态及其在量子信息处理中的应用开辟了新途径。
7月18日，他们的论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

“Single-Photon Synchronization with a Room-Temperature Atomic Quantum Memory”

魏茨曼团队的实验装置，核心是两团铷蒸气云。

“这个项目的想法产生于几年前，当时我们小组和Ian Walmsley小组展示了一种原子量子存储器。与典型的存储器——“梯形存储器（fast ladder memory，FLAME）”相比，它采用了一种倒置的原子级方案，”开展这项研究的研究人员之一Omri Davidson表示：“这些存储器速度快、无噪声，因此它们对单光子的同步很有用。”
FLAME是研究人员使用的量子存储器，传统的地态存储器通常速度较慢且易受噪声影响，相比之下，FLAME既快又无噪声，但它只能在较短时间内存储信息。
光量子计算和其他量子信息协议依赖于多光子态的成功产生。由于迄今为止研究中使用的大多数量子源都是概率性的，因此不适合以合理的速率生成多光子态。
作为研究的一部分，Davidson和他的同事们开始探索利用原子量子存储器实现这些状态的可能性：这种设备可以存储光子的量子态，同时保留它们所携带的量子信息。他们预测，原子量子存储器将能够存储概率生成的光子，并按需释放这些光子以生成多光子状态。
Davidson说：“目前的研究目标是首次利用独立的室温原子量子存储器证明单光子的同步性。为了实现这一目标，我们必须对存储器进行多项改进，并建立一个能产生光子的单光子源，以便与存储器有效对接。最后，我们准备演示实际的光子同步，它将光子源和存储器模块与实验的适当控制电子设备连接起来。”

光子同步方案 

Davidson解释说：“我们在铷原子中采用的特定梯形方案的第二个优势是，信号和控制光场转换的波长错配很小。与其他波长失配较大的阶梯方案相比，由于双光子多普勒展宽较小，因此记忆寿命相对较长。最后，我们使用与存储器相同的原子级结构产生光子，这使得光子与存储器之间能够有效耦合。”
该团队的 FLAME 存储器方案的诸多优势共同促成了他们实验的成功，使他们能够高速同步单个光子。利用他们的原子量子存储器，他们能够以η_e2e=25%的端到端效率和g⁽²⁾h=0.023的最终反束缚存储和检索单个光子，达到每秒1000多个同步光子对的速率。
g⁽²⁾h即“光子反束缚(photon antibunching)”，是衡量单光子“单一”程度的标准。完美单光子的 g⁽²⁾h= 0，而经典光的 g⁽²⁾h= 1。因此，在 g⁽²⁾h= 0.023 时，研究人员同步的光子仍然是几乎完美的单光子，这要归功于存储器的无噪声运行。
团队表示：“我们能够高速同步与原子系统兼容的光子。”与原子兼容的光子对于许多光子量子信息协议（如确定性双量子比特纠缠门）非常重要。以前的光子同步演示要么使用与原子系统不兼容的宽带光子，要么使用与原子系统兼容但速率极低的光子。
这项实验中，达到的光子同步率比以前使用与原子系统兼容的光子进行的演示高出 1000 多倍。他们的工作为研究多光子态与原子之间的相互作用开辟了新途径（例如确定性双光子纠缠门）。
未来，这对实现量子信息处理和量子光学系统都会产生重要影响。

单光子的存储

光子同步

光子同步率提升

“我们目前正在探索两条研究路径。第一条是在一个与同步系统类似的系统中，实现与铷原子的强光子-光子相互作用。实现这一目标将使我们能够展示同步单光子之间的确定性纠缠门。”团队补充说。
“这些门是光子量子计算的重要组成部分，因为与目前采用的方法（线性光学量子计算）相比，它们能够减少资源开销。迄今为止，这些门只在冷原子设置中得到了展示、而不是热原子，这限制了这些系统的可扩展性。”
在接下来的研究中，实验团队还计划进一步开发他们的FLAME存储器，使其能够存储光量子比特（即处于两种偏振态量子叠加中的光子），而不是只存储处于一种偏振态的单个光子。
最终，他们将可以利用光子进行量子计算。
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-07-team-synchronizes-photons-atomic-quantum.html[2]https://physics.aps.org/articles/v16/s96[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.033601
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