量子物理领域的一个长期挑战是单个且独立生成的光子(即光粒子)的有效同步。认识到这一点将对依赖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。

魏茨曼科学研究所的研究人员最近展示了使用在室温下运行的原子量子存储器同步单个独立生成的光子。他们的论文发表在《物理评论快报》上，可以为多光子态的研究及其在量子信息处理中的应用开辟新的途径。

“这个项目的想法是几年前提出的，当时我们的团队和IanWalmsley的团队展示了一种原子量子存储器，与典型的存储器梯形存储器相比，具有相反的原子级方案，称为快速梯形存储器(FLAME)，”进行这项研究的研究人员之一奥姆里·戴维森(OmriDavidson)告诉Phys.org。“这些存储器速度快且无噪声，因此它们对于单光子的同步非常有用。”

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生成。由于迄今为止研究中使用的大多数量子源都是概率性的，因此它们不适合以合理的速率生成多光子态。

作为他们最近研究的一部分，戴维森和他的同事开始探索使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，同时保留它们携带的量子信息。他们的预测是，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它们以生成多光子状态。

戴维森说：“当前研究的目标是首次使用独立的室温原子量子存储器证明单光子的同步。”“为了实现这一目标，我们必须通过多项改进来重建存储器，并构建一个单光子源来生成能够有效地与存储器接口的光子。最后，我们准备演示实际的光子同步，它可以与存储器进行交互。”光子源和存储模块，以及合适的实验控制电子设备。”

FLAME是研究人员使用的量子存储器，是他们之前研究的一部分而开发的，它依赖于一种反向原子级方案，称为阶梯方案。与通常速度缓慢且容易受到噪声影响的传统基态存储器相比，FLAME既快速又无噪声，但它只能存储较短时间的信息。由于速度和无噪声是单光子同步的基本特性，他们希望这将使他们能够生成多光子量子态。

“我们在铷原子中的特定阶梯方案的第二个优点是信号和控制光场跃迁的波长失配较小，”戴维森解释道。“与具有较大波长失配的其他梯形方案相比，由于双光子多普勒展宽较小，这使得存储器寿命相对较长。最后，我们使用与存储器相同的原子级结构生成光子，从而实现高效耦合光子与记忆的结合。”

该团队的FLAME存储方案的众多优点共同促成了他们实验的成功，使他们能够以高速率同步单个光子。利用原子量子存储器，他们能够存储和检索单光子，端到端效率为ηe2e=25%，最终反聚束为g(2)h=0.023，达到超过1,000个同步光子的速率每秒对。

G(2)h，或光子反聚束，是单个光子“单一”程度的度量。完美的单光子具有g(2)h=0，而经典光具有g(2)h=1。因此，在g(2)h=0.023时，研究人员同步的光子仍然几乎是完美的单光子，这要归功于存储器的无噪声运行。

“我们能够高速同步与原子系统兼容的光子，”戴维森说。“与原子兼容的光子对于许多光子量子信息协议非常重要，例如确定性的双量子位纠缠门。之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的光子以极低的利率。”

戴维森和他的同事在实验中获得的光子同步率比之前使用与原子系统兼容的光子进行的演示要好1000倍以上。他们的工作为研究多光子态和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，它可能对量子信息处理和量子光学系统的实现产生有价值的影响。

“我们目前正在探索两条研究路径，”戴维森补充道。“第一个是在与用于同步的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证明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，因为它们能够减少当前所追求的方法(称为线性光学量子计算)的资源开销。迄今为止，这些门仅通过冷原子设置进行演示，而不是通过热原子进行演示，这限制了这些系统的可扩展性。”

在接下来的研究中，戴维森和他的同事还计划进一步开发他们的FLAME存储器，使其能够存储光子量子位(即两个偏振态量子叠加的光子)，而不是仅存储一个偏振态的单个光子。这最终可能使他们能够使用光子进行量子计算。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：光子量子存储器