基于里德堡冷原子系综的确定性光子-原子纠缠态制备研究

Quantum memories and quantum repeaters are key elements to realize large-scale quantum communication and quantum network, where light-matter entanglement is an indispensable physical resource for their realization. Currently, long-lived photon-atom entanglement based on cold atomic ensembles is promising to be used in realistic quantum repeaters. However, existing protocols for entanglement preparation based on spontaneous scattering processes have an inevitable shortcoming that the entanglement generation is probabilistic, limiting their working efficiency and impeding the practical applications. To solve this problem, we will study the deterministic mechanism, Rydberg blockade, to replace probabilistic processes such as spontaneous Raman scattering for entanglement preparation, and thus overcome the shortcomings of probability. In practice, we will combine the techniques of high-fidelity Rydberg state manipulation and Rydberg blockade of atoms, spin-wave manipulation of ground states, and optical cavity for high-efficiency photon reading, to experimentally realize deterministic photon-atom entanglement with high read-out efficiency. This method for entanglement preparation is featured with an intrinsic efficiency of 100% and an efficient photon-atom interface. Compared with previous protocols, it has the potential to enhance the connection efficiency and working performance of quantum nodes greatly, and it will thus promote the development of quantum repeaters.

实现量子存储与量子中继是实现大尺度量子通信和量子网络的关键环节，其中光与物质纠缠是解决该问题所不可或缺的重要物理资源。当前来看，利用冷原子系综体系，制备长存储寿命的光子-原子纠缠，十分有望应用于现实的量子中继器之中。然而，现有的基于自发散射过程的纠缠制备方案具有不可避免的概率性缺陷，纠缠制备效率低，因而还不能够实际应用。针对这一问题，我们将研究利用里德堡阻塞这一确定性机制，取代诸如自发拉曼散射等概率性过程来制备光子与原子间的纠缠，以克服现有方案的效率缺陷。方法上，我们将把原子的高保真度里德堡态操控及里德堡阻塞、基态自旋波操控、结合光学腔的高效光子读出等技术相结合，预期在实验上实现确定性、高读出效率的光子-原子纠缠。该纠缠态制备方法具有内秉效率为100%、高效光与原子接口的特性，与现有方法相比，拥有显著提高量子节点连接效率和工作性能的潜力，将有力推动量子中继研究的发展进步。

在量子信息研究领域，在地面节点间建立大范围、大尺度的量子纠缠网络仍充满诸多挑战。在众多备选解决方案之中，利用冷原子系综这一物理体系实现量子中继、进而建立远程的量子纠缠网络是一个十分有希望的方向。实现量子中继的前提与核心是实现高效的光与原子纠缠制备。当前，冷原子体系主要的瓶颈在于传统方法中光与原子纠缠的制备效率十分低下，为概率性的。利用原子系综中里德堡阻塞机制形成的里德堡超原子，可以克服这一缺点，为确定性纠缠态制备起到突破性作用。本项目中，我们重点研究了利用里德堡超原子的独特性质来实现确定性纠缠态制备的方案与实验实现，并且，在此基础上还进一步将里德堡超原子与光学腔增强技术相结合，显著提升原子态到光子态的读出效率，从而大大提高其综合性能。经过三年努力，我们成功实现了项目的最初设想和预期目标，通过创新性方法，实现了原理上100%效率的光子-原子纠缠制备；再将里德堡阻塞机制与腔增强技术相结合，实现了高达44%的读取效率，并且利用该系统，通过循环探测实现了对一个量子比特的确定性测量；我们还与同事一起合作，将以上研究成果应用于多光子纠缠态制备，实现光子纠缠数目达到6量子比特，大大拓展了腔增强里德堡超原子这一物理体系的应用范围。以上成果分别发表于PRL、Optica、Nature Photonics等国际一流期刊。这些成果的取得，不仅解决了确定性光子-原子纠缠这一冷原子量子中继领域的关键问题，还在思路和方法上对我们有所启发，实现了包括量子态探测、多光子纠缠等诸多我们不曾预想的科学成果。这些成果将进一步融合，充分发挥系综体系的优势，非常有望应用于未来的量子中继系统之中。