用裡德伯超原子控制單光子

北京大學 王樹峰 編譯自 Wenchao Xu，Vladan Vuletić. Physics，May 11，2022

本文選自《物理》2022年第9期

在過去的十年中，量子技術的發展和應用取得了長足進步。許多有前景的方向使用光子作爲量子信息的載體。但是，由於光子間通常沒有相互作用，使得利用一個光子來操縱另一個光子難以實現。並且光子與其他量子系統耦合較弱(例如超導量子位)，使得這些系統很難與光子系統對接。

爲了實現單個光子之間可控的相互作用，需要一個具有極大光學非線性的物理平臺。原則上，單個原子由於飽和效應而表現出很大的非線性(一個原子一次只能吸收一個光子)。然而，單個原子和單個光子之間的耦合很弱，因此邏輯設備執行其功能的概率過低，這意味着難以對光子做確定性操作。

高品質的光學腔可以增強光與原子的耦合。在鏡子之間來回反射的光子有機會與腔內的原子多次相互作用。然而，要獲得可觀的耦合增強需要極高質量的反射鏡和穩定的腔體，這在技術上是個挑戰，由此限制了單個原子可實現的耦合強度。

第二種可能的解決方法是生成一個包含許多原子的人工雙能級原子——超原子。方案之一是使用裡德伯原子，它們的一個最外層電子被激發到主量子數很大的電子態，可以在微米尺度上發生強烈的相互作用，導致一個激發到裡德伯態的原子可以阻止第二個原子的裡德伯激發，使得這個集合一次只能吸收一個光子。於是整個系綜就像一個超原子，其中基態和激發態之間的躍遷表現出巨大的光子吸收截面。然而，如果原子的密度過高，它們之間的碰撞會使兩個超原子態間的量子相干性發生退相干。

兩個研究小組結合了這兩種方法，將裡德伯超原子置於光腔內，實現了光子操作的全光學方案。結果表明，如果超原子保持在基態，光子可以通過光腔，從而顯示出高透射率。但是如果超原子處於激發的裡德伯態，光子就會在光腔的入口處被反射，並且光子的光學相位將偏移π，如圖所示。

用於光子操縱的超原子—光腔方案示意圖 (a)如果超原子處於基態，光子會穿過空腔；(b)如果超原子處於激發態(紅點)，光子在腔的入口反射併產生π相移

超原子—光腔系統顯示出可靠且有效地控制光子的特性，通過監測腔的光子傳輸，可以無損地確定光學腔內超原子的狀態。巴黎文理研究大學Alexei Ourjoumtsev的小組證明，這種無損檢測可以在一次拍攝中獲得，保真度爲95%。快速且無損的檢測對於實現量子糾錯至關重要。

利用以超原子狀態爲條件的π相移可以實現量子操作的一個重要邏輯組件：可控的雙量子比特門。德國馬克斯普朗克量子光學研究所的Stephan Dürr和Gerhard Rempe小組通過實驗演示了一個量子受控非門(CNOT門)——當且僅當一個量子位處於“1”狀態時，另一個量子位纔會切換狀態。他們展示的門具有創紀錄的超過40%的效率，這是之前記錄(11%)的3倍以上。門操作的效率是光量子計算髮展的關鍵瓶頸。低效率意味着需要額外的硬件和操作來確保準確執行。因此，此處展示的效率突破將顯著降低實現可靠量子計算所需的開銷。

除了在量子計算方面的潛力，這個平臺也是朝着基於傳統光纖的高速量子通信網絡所邁出的重要一步。在這樣的網絡中，超原子—光腔系統可以用作量子存儲器或保持量子相干性的光開關。

最後，新系統可以用作連接不同量子信息平臺的變換器。基態和裡德伯態之間的躍遷通常位於光學頻率上，而裡德伯態之間的躍遷則在幾GHz到100 GHz的微波範圍內。因此，裡德伯超原子可用於將微波光子相干地轉換爲光學光子，反之亦然。這一功能開闢了通往混合量子技術的新途徑，該技術實現了在光學和微波光子之間轉換量子信息，從而耦合原子量子位和超導量子位。

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