上海交大使用室温量子存储器将光子生成率提高10倍

光子盒研究院出品

高生成率的光子是量子通信、量子计算和量子计量学必不可少的资源之一。由于固有的存储特性，基于存储器的光子源是实现大规模量子信息处理的一条有前途的途径。但这种光子源大多是在极低温系综或隔离系统中实现的，限制了其物理可扩展性。

为此，上海交通大学的金贤敏团队实现了一个基于远距离非共振Duan-Lukin-Cirac-Zoller (FORD)量子存储器的宽带室温单光子源。研究人员通过利用高速反馈控制和重复直到成功的写入过程，光子生成率获得了高达十倍的显著提高。这种基于宽带室温量子存储器的存储增强型单光子源为在环境条件下建立大规模量子存储网络提供了一种很有前途的方法。

相关研究于12月19日发表在《科学报告》上[1]。

01

室温量子存储器提高光子生成率

在过去的几十年中，基于存储器的单光子源的发展侧重点是在光子生成过程中抑制退相干和噪声以实现高性能，从而推动了超低温和隔离良好系统的众多进步。

然而，随着受控量子单元数量的增加，物理系统的复杂性和规模迅速增长，这可能会限制其在大规模量子网络中的进一步应用。室温系统可以获得操作简单性和更好的可扩展性，但是由原子热运动引起的损失和退相干阻碍了存储的集体激发的长寿命和高恢复效率。同时来自荧光和原子碰撞的噪声将获得的光子的保真度降低到不可接受的水平。

因此，如何在严重退相干的情况下很好地保持集体激发，并从强噪声中提取信号光子，一直是使基于室温存储器的光子源在量子机制下工作的长期挑战。最近，人们已经努力实现具有内置存储器的室温单光子源，进一步增强光子的生成，特别是当宽带特性允许以高数据速率工作时，将使其对现实应用更具吸引力。

图1 使用宽带室温量子存储器提高光子产生率

单光子的生成如图1所示。最初所有的原子都是由泵浦光在基态|g⟩中制备的。然后非共振写入脉冲入射到原子系综上，其目的是通过自发拉曼散射(SRS)诱导斯托克斯光子，预示着原子间相关集体激发的产生。主要分为三步：

第一步，写入过程。在三能级λ型配置中，基态|g⟩和|s⟩分别代表6S1/2态的F=3和F=4超精细态，而6P3/2态标记为|e⟩。灰色区域表示由强写入脉冲寻址的宽虚拟状态，发射的斯托克斯光子被涂成绿色。

第二步，读出过程。产生的反斯托克斯光子被涂成蓝色。

第三步，将单个写入脉冲扩展成写入脉冲序列，并持续诱导斯托克斯光子，直到成功检测到一个，从而提高产生自旋波的效率。

为了提高反斯托克斯光子的生成率，将重复写入过程结合到FORD量子存储器中。如图1c所示，该团队不是在每个周期中进行一次写入尝试，而是将M个脉冲串编程为入射到原子系综中。

由于存储器是整个生成过程的核心元件，其性能尤其是噪声水平和寿命，决定了单光子纯度和可达到的增强生成率。

在恒定恢复效率的理想条件下，当写入脉冲数量较小时，光子生成率的增强随着写入脉冲数的增加而近似线性增加。如图2所示的红点，测得的增强的上升趋势接近线性趋势，表明尽管平均恢复效率随着写入脉冲的数量而降低，然而产生集体激发的概率的提高现在是决定生成速率的主要因素，并且写入脉冲序列的进一步扩展有助于有效地获得更高的生成速率。

图2 生成速率的提高是写入脉冲数的函数。红点数据对应于有反馈控制的结果，蓝色菱形数据是从没有反馈控制的实验中获得的。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41598-022-25060-1