研究团队利用原子量子存储器同步单光子

光子-1 和光子-2 由光子源随机产生。光子-1 通过存储脉冲存储在量子存储器中，而光子-2 则进入光纤延迟线。随后，通过第二个检索脉冲，光子-1 与光子-2 同步从存储器中取出。这样，两个光子就在存储器中同步了。资料来源：戴维森等人

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。

魏兹曼科学研究院（Weizmann Institute of Science）的研究人员最近利用一种在室温下工作的原子量子存储器演示了独立产生的单个光子的同步。他们的论文发表在《物理评论快报》上，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。

"这个项目的想法产生于几年前，当时我们小组和伊恩-沃姆斯利（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（名为快速梯形存储器（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奥姆里-戴维森（Omri Davidson）告诉《物理评论快报》（Phys.org）。"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。"

光子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。

作为最近研究的一部分，戴维森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，他们的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。

"戴维森说："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。

FLAME是研究人员使用的量子存储器，也是他们之前研究的一部分，它依赖于一种倒置的原子级方案，即梯形方案。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。由于速度和无噪声是单光子同步的基本特性，他们希望这能让他们产生多光子量子态。

"戴维森解释说："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失配较小。戴维森解释说："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生成光子，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，使他们能够以较高的速率同步单个光子。利用他们的原子量子存储器，他们能够以ηe2e=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，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。

"戴维森说："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。

戴维森和他的同事们在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，例如所谓的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。

"戴维森补充说："我们目前正在探索两条研究路径。戴维森补充说："首先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。

"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（称为线性光学量子计算）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，戴维森和他的同事们还计划进一步开发他们的FLAME存储器，使其能够存储光子四比特（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，他们可以利用光子进行量子计算。

参考资料
 

Omri Davidson et al, Single-Photon Synchronization with a Room-Temperature Atomic Quantum Memory, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.033601

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