科研进展 | 马普所在光腔中使用光镊组装的量子网络寄存器

量子计算和量子通信有望为用户提供经典物理无法达到的能力。然而，将当前量子计算机扩展为具有许多量子比特的大型系统仍是一项挑战。其中一种解决方案是开发由小型量子寄存器组成的量子网络，这些寄存器包含与通信量子比特可逆连接的计算量子比特。

7月11日，马克斯·普朗克量子光学研究所与苏黎世联邦理工学院的研究人员在《Science》期刊上发表题为“A quantum-network register assembled with optical tweezers in an optical cavity”（在光腔中使用光镊组装的量子网络寄存器）的研究论文，马克斯·普朗克量子光学研究所博士生Lukas Hartung为论文第一作者兼通讯作者。

Gerhard Rempe，马克斯·普朗克量子光学研究所教授，量子动力学部门负责人。

Emanuele Distante，马克斯·普朗克量子光学研究所哈佛研究中心研究员。

Stephan Welte，马克斯·普朗克量子光学研究所博士毕业，师从Gerhard Rempe。现为苏黎世联邦理工学院博士后助理研究员。

在本文中，研究人员展示了一种量子寄存器，其使用光镊和光晶格确定性地组装光腔中的二维原子阵列。利用单个原子寻址光束，刺激每个原子发射光子，并展示了多路复用原子-光子纠缠（multiplexed atom-photon entanglement），从生成到检测的效率接近90%。结合腔介导的量子逻辑，该方法可为分布式量子信息处理提供了一条可能的途径。

理论方法

首先需要创建一个单独可控量子比特的寄存器，然后将每个量子比特耦合到某个光子通道上进行网络连接。为了解决这一双重挑战，研究团队将腔量子电动力学与基于原子的光晶格和光镊技术相结合。具体来说，光腔作为原子-光子量子界面，光晶格提供最小扰动原子局域化，光镊利用高度聚焦的激光束囚禁和操控单个原子。与使用光镊囚禁原子相比，光晶格能够更强地禁闭原子，并克服有限激光功率对阵列尺寸的限制。

理论方法的核心在于量子纠缠的生成和控制。研究人员利用了一种称为真空刺激拉曼绝热通道（vacuum-stimulated Raman adiabatic passage，vSTIRAP）的技术，通过精确调控激光场与原子的相互作用，实现了原子与光子之间的高效纠缠。在vSTIRAP过程中，原子被泵浦到一个特定的量子态，然后通过与光子的相互作用，转移到另一个量子态，同时产生一个与之纠缠的光子。这个过程不仅需要精确的激光场控制，还需要对原子的量子态进行精确的初始化和测量。

此外，为了实现多量子比特的纠缠，研究人员提出了一种多路复用方案。通过同时操作多个原子，每个原子都可以独立地与光子发生纠缠，然后通过时间分辨的测量来区分不同的纠缠对。这种方法不仅提高了纠缠生成的概率，而且也增加了量子通信的速率。

实验方法

实验方法的关键在于精确操控原子和光子，以及高效地检测量子纠缠。实验的第一步是使用光镊和光晶格技术构建一个二维原子阵列。通过声光偏转器（acousto-optic deflector，AOD）精确控制聚焦激光束的位置，研究人员能够在光腔的中心位置囚禁和排列冷原子。为了减少热运动引起的位置不确定性，这些原子被冷却到接近绝对零度。

在原子阵列准备就绪后，研究人员使用vSTIRAP技术在每个原子上生成纠缠的光子。这一过程需要精确地控制激光的频率、强度和偏振，以确保原子与光子之间的有效相互作用。通过调整腔体的共振频率，可以优化光子在腔内的传播和耦合效率，从而提高纠缠生成的概率。

为了检测生成的量子纠缠，研究人员采用了一种偏振分辨探测装置（polarization-resolving detection setup），该装置包括一个电光调制器（electro-optic modulator，EOM）、一个偏振分束器（polarizing beamsplitter，PBS）以及两个光纤耦合的超导纳米线单光子探测器（fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector，SNSPD）。通过EOM，研究人员可以快速切换探测装置的偏振基，以适应不同偏振的信号光子。SNSPD则提供了高效的单光子检测能力，确保能够准确测量量子纠缠。

在实验中，研究人员还采用了一种反馈机制来监控和调整原子的位置。借助电子倍增电荷耦合器件（electron-multiplying charge-coupled device，EMCCD）相机，获取原子的荧光图像，研究人员可以实时监控原子的位置变化，并动态调整AOD的射频信号，以确保每个原子都能被精确地寻址和操控。

通过这种精确的操控和高效的检测，研究人员成功地在多个原子上生成了量子纠缠，并且随着原子数量的增加，纠缠生成效率的显著提高。具体来说，对于6个原子的情况，实现了达到88.6%的总光子检测效率，以及超过97%的单次尝试纠缠生成概率，且纠缠保真度保持恒定。这些实验结果不仅验证了理论方法的可行性，也为量子网络的构建和量子信息处理提供了坚实的实验基础。

总结

“长距离量子网络需要能够纠缠物质量子比特，其中信息在本地存储和操控，光子可以传播数百公里到下一个节点。单个被俘获的原子或离子与光子之间的纠缠在可扩展性上受到限制。Hartung等人。展示了将铷原子加载到放置在光腔中的光晶格中的能力。在光镊和单个位点寻址能力的帮助下，他们能够确定性地加载晶格，并将特定原子与光子纠缠在一起。该方法对于构建更大规模的量子网络很有希望。”《科学》期刊编辑Ian S. Osborne如此总结这项工作。

图1：装置和实验顺序。

图2：多达n=6个原子的原子阵列图像，每个原子的效率和保真度。

图3：原子-光子纠缠的平均保真度、串扰和位置依赖效率。

图4：二维原子排列。

图5：多路复用效率与原子数的关系，平均光子数与原子数的关系。

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