25 個可單獨訪問的原子量子界面的實驗糾纏_風聞

观察员2号-2021-06-08 08:17

2021-06-08

來自：科學

量子接口將量子存儲器中的固定量子位與光傳輸通道中的飛行光子量子位連接起來，構成未來量子互聯網的關鍵元素。量子界面的糾纏是實現量子網絡的重要步驟。通過對光子干涉的預兆檢測，我們在多路原子量子存儲器陣列中的 25（或 9）個可單獨尋址的量子界面之間產生多部分糾纏，並確認真正的 22 部分（或 9 部分）糾纏。這種創紀錄數量的可單獨尋址量子接口的實驗糾纏為實現量子網絡、長距離量子通信和多方量子信息處理邁出了重要的一步。

介紹

由冷原子基態攜帶的靜止量子位是存儲量子信息的理想存儲器，而飛行光子脈衝是通過光通信通道傳輸量子信息的最佳選擇。量子接口可以將固定的量子位轉換為飛行的光子脈衝，反之亦然，因此在量子存儲器和光通信通道之間產生了有效的鏈接（1）。良好的量子記憶是由單個原子（離子）的超精細狀態或原子系綜的集體狀態提供的。與單個原子或離子相比，原子系綜的集體狀態不易控制以進行量子位旋轉和量子位-量子位門操作，因此它不是實現量子計算的便捷量子位。然而，由於集體增強效應，光密原子系綜的集體態具有獨特的優勢，即使在自由空間中也能與定向發射強耦合，從而在原子記憶和前向傳播之間產生有效的量子鏈接。光子脈衝，因此為實現量子界面提供了理想的候選者 ( 1 – 3）。為量子網絡的實現，長途量子通信，和將來量子網絡技術，按比例放大的有前途的方式是基於這些高效量子接口（之間產生糾纏1 - 6）。卓越的實驗進展已報告朝着這個目標（7 - 17）。作為最先進的技術，通過預示光子檢測（14）已經糾纏了多達四個原子集合量子界面。

在這裏，我們通過實驗在 25、16 和 9 個可單獨尋址的原子量子界面之間產生多分糾纏，並分別確認真正的 22 分、14 分和 9 分糾纏，從而在這些情況下取得了重大進展通過測量糾纏見證人的置信水平。通過對二維 (2D) 微原子系綜陣列的光子干涉進行可編程控制和預告檢測，我們生成並通過實驗確認多方 W 態糾纏，這是最穩健的多體糾纏類型之一，具有在各種量子信息協議中的應用 ( 18 – 22）。單個原子系綜中的數十至數千個原子已與預示光子探測糾纏在一起 ( 21 , 22 )。然而，在這些情況下，原子不可分離或可單獨尋址，並且我們在單獨的量子界面之間沒有多部分糾纏。在其他實驗系統中，多達 14 個離子 ( 23 )、10 個光子 ( 24 ) 和 10 個超導量子位 ( 25) 已準備好進入真正的糾纏狀態。這些實驗在單個粒子之間產生了多部分糾纏，但每個粒子都不能單獨充當有效的量子界面來將內存量子位與飛行的光子耦合。我們的實驗中實現的可單獨尋址的量子接口記錄高數之間多方纏結並演示朝向實現量子網絡，長途量子通信，和多部量子信息處理（一個重要的使能步驟1 - 6，18，

果實驗裝置我們的實驗裝置如圖 1 所示。我們將宏觀的87 Rb 原子系綜劃分為二維微系綜陣列 ( 26 )。每個微系綜都是光密的，因此可以作為一個有效的量子界面。通過對一組交叉放置的聲光偏轉器 (AOD) ( 13 , 26) 的電氣控制，可以以可編程方式單獨或集體訪問不同的微集合，詳細信息在材料和方法中進行了描述。實驗裝置的可編程控制對於可擴展的糾纏生成具有重要作用 ( 27 )。

圖 1 用於生成和驗證二維原子量子界面陣列之間的多粒子糾纏的實驗裝置。（A）我們使用 DLCZ 方案和可編程 AOD 多路複用器的組合，在二維微集合陣列中的原子自旋波之間生成 W 態類型的多部分糾纏。為清楚起見，我們展示了一個 3 × 3 的陣列，儘管我們還糾纏了 4 × 4 和 5 × 5 的集成陣列。寫入激光束被相干地分成九個路徑，以通過寫入 AOD 多路複用器同時激發 3 × 3 87 Rb 系綜陣列，該多路複用器包含放置在x和y 方向的兩個正交偏轉器方向。AOD 多路複用器之後的透鏡聚焦光束，同時將偏轉光束的不同角度映射到大原子雲中的不同位置，形成單獨的微集合。散射信號光子模式通過透鏡 2 和信號 AOD 解複用器相干合併，然後耦合到單模光纖中，輸出由單光子檢測器 (SPD1) 檢測。為了驗證多部分糾纏，我們在讀取光束和閒散光子模式的路徑中使用可編程 AOD 多路複用器和解多路複用器來檢測來自幾個互補鹼基中不同微系綜的原子自旋波。為了限制雙激發概率，閒散光子模式由 50/50 分束器 (BS) 拆分，並由兩個單光子探測器（SPD2 和 SPD3）檢測，用於註冊三光子重合（與 SPD1 一起）。(B ) 5 × 5 陣列在原子集合位置多路複用激光束的圖示。該圖像是通過將激光束照射到信號單模光纖中獲得的，該光纖由信號 AOD 多路複用並由原子集合位置的電荷耦合器件相機捕獲。相鄰信號模式在x和y方向上的間隔均為 180 μm，信號和閒散模式的高斯直徑均為 70 μm。( C ) 相關原子能級及其與寫入/讀取激光束和信號/閒散光子模式的耦合，具有 | g〉 ≡ |5 S 1/2 , F = 2〉, | s〉 ≡ |5S 1/2 , F = 1>, 和 | e〉 ≡ |5 P 1/2，F ′ = 2〉。寫入（讀取）激光束分別在中心微集合處以 Δ = 10 MHz (Δ’ = 0) 進行紅色失諧。

我們在微集合量子界面 ( 14 , 18 – 22 )之間產生 W 態類型的多分糾纏。對於N 個微系綜，理想的 W 狀態具有以下形式(1)其中，對於第i個分量，我們有一個穩定但可調的相位因子以及第i個微系綜中的單個集體自旋波激發。W 狀態對應於一種對粒子損失最穩健的極值多部分糾纏狀態 ( 18 )，並在量子信息協議的實現中具有應用 ( 2 , 3 , 18 – 22 )。為了在N 個微系綜之間產生 W 態糾纏，我們通過寫入 AOD將寫入激光脈衝分成N 個光束，如圖1所示，並將來自N 個的信號光子模式相干組合微集合由等權重的信號 AOD 成單一方向，耦合到單模光纖進行檢測。當我們通過探測器記錄一個信號光子時，這個光子同樣有可能來自每個微集合，它們在相應的自旋波模式下具有原子激發。在理想情況下，N 個微集合的最終狀態由 W 狀態 ( 1 )描述，因為 AOD 保持不同光學疊加路徑之間的相干性。

多方糾纏驗證實驗準備的狀態與理想形式 ( 1 ) 的不同之處在於幾種噪聲和缺陷的貢獻。首先，產生光子-自旋波對的雙階或更高階激發的概率很小但非零。其次，由於原子-光子相關性不完美或原子記憶中的激發損失，當我們記錄光子時，自旋波模式可能處於真空狀態。最後，即使只有一個自旋波激發，它也可能不會在N 個微集合中均勻或完全一致地分佈。實驗狀態 ρ e可以表示為(2)其中p 0 , p 1 , p 2和ρ 0 , ρ 1 , ρ 2分別表示在自旋波模式中具有零、一和雙激發的種羣和相應的密度矩陣。狀態保真度定義為F = < W N |ρ e | W N〉 = p 1〈 W N |ρ 1 | w ^ Ñ >。在方程式中。2，我們通過忽略微小的高階項來削減二階激發的擴展。如果我們假設激發次數的泊松分佈（這是弱泵浦下參量光原子相互作用的情況），我們可以從測量的p 2 / p 1估計高階激發的貢獻。結果證明，它們對我們所有後續結果的影響都可以忽略不計（參見 S2 部分）。

為了驗證N 個量子界面之間的多部分量子糾纏，我們使用糾纏見證來下限糾纏深度k ( k ≤ N ) ( 28 )，這意味着狀態 ρ e至少具有k部分真正的量子糾纏 ( 29 )。適合 W 型糾纏態的糾纏見證由下式給出( 29 )，其中P n ( n = 0, 1, 和 2) 表示在自旋波模式中具有n 個激發的子空間上的投影儀，並且參數 α k , β k , γ k ≥ 0 被數值優化（見部分 S1) 使得對於糾纏深度小於k 的任何狀態 ρ a，見證是非負的，即，. 所以，作為驗證我們在N 個量子界面之間至少有k部分真正糾纏的充分條件。請注意，此見證不需要p 0 + p 1 + p 2 = 1，因此當我們考慮較小的高階激發時，它也適用於p 0 + p 1 + p 2 < 1 的情況，儘管修正結果是對於我們所有的後續結果，可以忽略不計（見補充材料）。

為了限制糾纏深度，我們通過實驗測量保真度F和總體p 0 , p 1 , p 2。詳細的測量程序在 S2 部分進行了解釋。每個量子界面中的自旋波激發被檢索到閒置光子，以通過讀取激光束進行檢測。我們的測量直接在檢索到的光子的狀態上進行，它可以用類似於方程的形式表示。2自旋波模式。由於有限的檢索效率、探測器效率低下以及相關的光子損失，探測到的閒散光子模式具有更大的真空分量，它們相應的參數表示為F’ 和 . 由於該檢索過程是局部操作，因此檢索到的光子模式中的糾纏為原子系綜（14）中的集體自旋波模式中的糾纏提供了下限。

保真度F ′ 和種羣閒散光子的大小通過以下方式確定。我們首先測量雙激發概率來自空閒模式下兩個單光子探測器的光子強度相關性，條件是信號模式下的光子點擊。然後，和F ’ 是通過在不同配置中對四組 AOD（寫入、信號、讀取和空閒）進行編程來測量的，如圖2所示（參見部分 S2 和圖 S1 至 S4 中的詳細信息）。當我們測量人口時, 閒置 AOD 依次拾取每個單獨微集合的輸出光子模式進行檢測；對於保真度F ′，閒散光AOD將N個等權重的微系綜的輸出閒散模式相干組合到單模光纖上進行檢測，從而有效地投射了狀態| w ^ Ñ >。請注意，保真度測量對不同空閒光子模式之間的相對相位信息很敏感，因為這些模式通過相干組合在 AOD 處發生干擾。在F ′ 和測量後，我們校準每個微集合的檢索效率，最後從測量的閒散光子統計數據 ( 30 )推導出自旋波模式的保真度F和種羣p 0 , p 1 , p 2。詳細的轉換過程在 S2 節中描述。

圖 2 用於糾纏生成和驗證的可編程耦合配置。（A）產生多部分糾纏的耦合配置，其中寫入 AOD 拆分光路，信號 AOD 相干組合路徑。( B ) 用於保真度測量的檢測配置，其中讀取 AOD 將讀取光束傳送到所有微系綜，以將原子自旋波激發轉移到閒散光子，而閒散 AOD 將來自不同系綜的閒散模式相干結合在疊加基中具有相同的檢測權重。( C和D) (C) 和 (D) 中的寫入和讀取 AOD 的配置方式與 (A) 和 (B) 中的相同，但信號和閒置 AOD 被編程為依次檢測來自的信號/閒置光子每個單獨的微合奏。配置（C）和（D）組合用於校準每個微系綜的檢索效率，配置（A）和（D）組合用於檢測W狀態準備後每個系綜中的激發種羣（有關詳細信息，請參閲 S2 部分）。

我們已經用 3 × 3、4 × 4 和 5 × 5 的微集成陣列進行了糾纏準備和驗證實驗。對於九個可單獨尋址的微集合，結果如圖3所示。我們在圖 3A 中給出了閒置光子狀態的參數，對於光子狀態，八分糾纏的概率為 99.5%。經過校準的檢索效率轉換後，我們發現原子微系綜的狀態具有高保真度F = (92.2 ± 1.6)% 處於九分 W 狀態。在圖 3D 中，我們展示了糾纏見證的分佈從實驗數據來看。從這個分佈中，我們以 99.98% 的置信度得出結論，我們在九個原子系綜之間產生了真正的九分量子糾纏。

圖 3 3 × 3 原子集合陣列的糾纏驗證。( A ) 總體的測量值以及 68% 置信區間（對應於 1 SD 以內的區域，如果分佈為高斯分佈）, 保真度F ′, 和糾纏見證對於直接測量的閒散光子模式。檢索到的閒散光子模式中的糾纏為不同原子系綜中集體自旋波模式中的糾纏提供了下限。見證中的優化參數由 , ，和 . （乙）糾纏證人的分佈，在哪裏暗示八方真正的糾纏。概率與是 99.5% 從這個測量。( C ) 每個 3 × 3 原子集合陣列的測量檢索效率。( D ) 在 W 狀態製備後，每個 3 × 3 原子系綜陣列中測量的自旋波激發種羣。( E ) 測量值，以及總體p 0、p 1、p 2的 68% 置信區間、保真度F和糾纏見證W 9在不同原子系綜中校正後的集體自旋波模式通過上述測量的檢索效率。見證W中的優化參數9由α 9= 0.369、β 9 = 0.889和γ 9 = 0.268給出。( F ) 糾纏見證W 9的分佈，其中W 9 < 0 意味着九方真正的糾纏。W 9 < 0的概率為 99.98%。

在無花果。在圖 4和圖5 中，我們展示了 16 和 25 個微集成的實驗結果。在這些情況下，保真度不足以證明所有這些都是真正糾纏不清的。原子態的校準保真度F 分別為 (84.9 ± 1.7)% 和 (83.9 ± 1.4)%。隨着集成越多，保持每個集成的光學深度和激光激發概率的均勻性變得越困難，這會導致保真度下降。但是，我們仍然可以使用糾纏見證來證明高糾纏深度。如圖所示。4和5，對於 16 個集合，我們已經確認了 11 部分糾纏在檢索到的閒散光子模式中，置信度為 99.7% 和 16 個微集合中自旋波模式之間的 14 部分糾纏，置信度為 99.997%用校準的檢索效率進行修正；對於 25 個集合，我們已經確認了檢索到的光子模式中的 17 部分糾纏，置信度為 98.4%，25 個微集合之間的 22 部分糾纏，置信度為 96.5%。

下載高分辨率圖像在新標籤頁中打開下載幻燈片圖 4 4 × 4 原子集合陣列的糾纏驗證。( A ) 總體的測量值以及 68% 的置信區間, 保真度F ′, 和糾纏見證對於從 4 × 4 原子系綜陣列中檢索到的直接測量的閒散光子模式。見證中的優化參數由 , ，和 . （乙）糾纏證人的分佈對於 4 × 4 空閒光子模式。概率與是這些測量值的 99.7%。( C ) 4 × 4 原子系綜陣列校正後的總體p 0、p 1、p2、保真度F和糾纏見證W 14的測量值以及 68% 置信區間檢索效率。見證W 14中的優化參數由α 14 = 0.635、β 14 = 0.813 和γ 14 = 0.240 給出。( D ) 4 × 4 情況下糾纏見證W 14的分佈。概率與W 14 < 0 是這些測量值的 99.997%。

下載高分辨率圖像在新標籤頁中打開下載幻燈片圖 5 5 × 5 原子集合陣列的糾纏驗證。( A ) 總體的測量值以及 68% 的置信區間, 保真度F ′, 和糾纏見證對於從 5 × 5 原子系綜陣列中檢索到的直接測量的閒散光子模式。見證中的優化參數由 , ，和 . （乙）糾纏證人的分佈對於 5 × 5 空閒光子模式。概率與是這些測量值的 98.4%。( C ) 5 × 5 原子系綜陣列的測量值，連同 68% 置信區間，總體p 0 , p 1 , p 2，保真度F和糾纏見證W 22在檢索校正後效率。見證W 22中的優化參數由α 22 = 0.550、β 22 = 0.840 和γ 22 = 0.244 給出。( D ) 5 × 5 情況下糾纏見證W 22的分佈。概率與W 22 < 0 是這些測量值的 96.5%。

討論我們在創紀錄數量的可單獨尋址的量子界面中進行多部分糾纏的實驗準備代表了量子狀態工程的一個重要里程碑。通過對 AOD 進行編程以控制本質上穩定的光干涉路徑，本實驗中開發的糾纏製備和驗證技術完全可擴展到更多的量子界面。使用 AOD 對聚焦的激光束進行編程和引導到數百個微集合是可行的（26）。我們當前實驗中糾纏系綜的數量基本上受到整個原子雲大小和可用光學深度的限制。通過使用雙磁光陷阱 (MOT) 實現更高效的原子加載，我們可以顯着增加原子雲的大小、光學深度和存儲光子的檢索效率。在這種情況下，我們應該能夠獲得數百個由本實驗中報告的相同控制設置和糾纏驗證技術糾纏在一起的微集合。在許多可單獨尋址的量子接口之間產生多部分糾纏表明朝着實現量子網絡 ( 2 , 3 )、長距離量子通信 ( 2 ,4，5），和多部量子信息處理（3，14，18，19）。

註釋已添加。在 arXiv (arXiv:1707.09701) 上發佈這項工作後，我們瞭解到 Zarkeshian等人的相關獨立工作。( 31 ) 和 Fröwis等人。（32），報告了固態集合中多粒子 W 態糾纏的產生。與這些實驗相比，我們實現了空間分離的中性原子微集合之間的多部分糾纏，這些微集合可以通過對 AOD 進行可編程控制的聚焦激光束單獨訪問。我們感謝 C. Simon 帶來了 Zarkeshian等人的工作。( 31 ) 和 Fröwis等人。( 32 ) 引起我們的注意。

材料和方法實驗方法一個87 Rb 的原子雲被加載到 MOT 中。用於冷卻和捕獲 MOT 中的原子，強冷卻光束，紅色失諧至 D2 循環轉變 | g〉 ≡ |5 S 1/2 , F = 2> → |5 P 3/2 , F = 3> 12 MHz，使用。再泵浦激光器，共振於 | s〉 ≡ |5 S 1/2 , F = 1〉 → |5 P 3/2 , F= 2> 躍遷，將退出冷卻躍遷的原子泵回。MOT中原子的温度約為300 μK。然後通過極化梯度冷卻 (PGC) 進一步冷卻原子 1 ms。PGC 是通過將冷卻激光器的紅色失諧增加到 60 MHz 並將強度降低到 MOT 加載階段值的一半來實現的。同時，再泵浦激光強度降低到加載階段值的0.5%，並關閉磁梯度線圈。此過程後温度降至約 30 μK，MOT 的大小几乎保持不變。在 PGC 之後，一些原子被分散到了 | s〉狀態，我們使用 100 μs 再泵浦脈衝將所有原子泵回 | G〉。儲存過程中，環境磁場沒有得到補償；因此，集體自旋波激發的恢復效率經歷了拉莫爾進動。在我們的例子中，拉莫爾週期為 5.8 微秒。讀取和寫入脈衝之間的時間間隔設置為該拉莫爾週期，以實現空閒光子的最高檢索效率。

實驗序列以 100 ns 長的寫入脈衝開始，該脈衝被寫入 AOD 分割為N條路徑，以激發原子系綜的二維陣列。如果未檢測到信號光子，則與讀取脈衝相同的清除脈衝將原子泵回 | G〉。重複寫入清除序列，直到檢測到信號光子。在檢測到信號光子後，相應的集體自旋波激發被存儲在原子系綜中一段可控的時間，然後通過讀取脈衝檢索到處於閒置模式的光子。寫/讀脈衝的條件控制由現場可編程門陣列 (FPGA) 實現。單模光纖收集的信號或閒散光子被引導到單光子計數模塊。光子計數及其巧合是通過 FPGA 記錄的。

AOD 的控制射頻 (RF) 信號由兩個 4 通道任意波形發生器（AWG；泰克 5014C）生成。其中一個 AWG 為x方向的寫入、讀取、信號和空閒 AOD (AA DTSXY-400)提供 RF，另一個為y方向的AOD提供 RF 。AWG 通道的輸出由 2-W 射頻放大器（Mini-Circuits，ZHL-1-2W）放大以驅動 AOD。

放大器和 AOD 中的非線性可能會引起其他不需要的頻率分量，從而導致模式複用和解複用的缺陷。正如 Endres等人所討論的那樣，通過仔細調整讀取、信號和閒置 AOD 中的相對相位。( 33 )，我們可以通過大約 120 dB 的消光比來衰減這些不需要的頻率分量的影響，這對於我們的實驗來説可以忽略不計。

儘管 AOD 將光路分成許多不同的分支，但由於我們實驗中的不同光路經過相同的光學元件，因此不同分支之間的相對光學相位本質上是穩定的。這是一個重要的優勢，它消除了我們實驗中許多光學干涉儀迴路對複雜的有源相位穩定的需要。在實驗中通過控制驅動寫入 AOD 的不同 RF 組件的相位來調整不同疊加路徑之間的相對相位。

補充材料本文的補充材料可在http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/4/4/eaar3931/DC1 獲得

S1 節。W 型態的糾纏見證

S2 節。糾纏見證的實驗測量

S3 節。實驗噪聲的討論

如圖。S1。用於測量每個微集成檢索效率的耦合配置。

如圖。S2。用於測量每個微集合的激發種羣的耦合配置。

如圖。S3. 用於測量 W 狀態保真度的耦合配置。

如圖。S4. 三光子相關性和雙激發概率的測量。