中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在中性原子量子信息研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、王健研究組利用光纖微腔與中性原子的普塞爾（Purcell）區(qū)域耦合，實(shí)現(xiàn)了超快高保真度的原子態(tài)讀出，其速度和保真度均創(chuàng)造公開(kāi)報(bào)道最高紀(jì)錄。該成果以“Ultrafast High-Fidelity State Readout of Single Neutral Atom”為題于6月20日發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，并入選編輯推薦論文（Editor's suggestion），同時(shí)美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站以“Enhanced Light Emission Improves Atom Readout”為題對(duì)該工作進(jìn)行報(bào)道，稱贊本工作“have demonstrated a readout technique that achieves unprecedented speed and accuracy. The approach’s key innovation is a technique for boosting the atom’s rate of photon emission”。
中性原子因出色的可擴(kuò)展性、成熟的門(mén)操作和光學(xué)波段接口，成為極具潛力的量子通信與量子計(jì)算平臺(tái)。然而，態(tài)讀出和態(tài)制備消耗了中性原子量子計(jì)算與量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的大多數(shù)時(shí)間，因此提升讀出速度與保真度對(duì)降低時(shí)間與物理資源消耗至關(guān)重要。由于受限于淺勢(shì)阱深度、低光子散射率及探測(cè)效率，自由空間原子的態(tài)讀取時(shí)長(zhǎng)最短為百微秒量級(jí)。即使已有研究利用強(qiáng)耦合光學(xué)腔提高光子收集效率，原子態(tài)的讀出仍需要至少幾個(gè)微秒。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，研究組利用工作在普塞爾區(qū)域的光纖微腔-中性原子腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，在提高光子收集效率的同時(shí)，極大增強(qiáng)了原子的光子輻射速率。該系統(tǒng)的協(xié)同因子達(dá)到了4.7，原子的自發(fā)輻射速率提升了約10倍，展現(xiàn)出作為高性能中性原子-光子量子接口和量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的潛能。此前，研究組利用這一特點(diǎn)，在同類系統(tǒng)上首次觀測(cè)到原子共振熒光中的雙光子糾纏[Phys. Rev. Lett. 134, 053401 (2025)]。
在此基礎(chǔ)上，研究組利用對(duì)閉循環(huán)躍遷的強(qiáng)共振驅(qū)動(dòng)，結(jié)合低動(dòng)量轉(zhuǎn)移的激發(fā)策略，將腔內(nèi)讀出光子的探測(cè)計(jì)數(shù)率提升至18M/s。憑借極高的熒光亮度，他們?cè)?00納秒的時(shí)間窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)了保真度99.1(2)％的原子態(tài)讀出，并在9微秒的時(shí)間窗口內(nèi)把保真度提升到了99.985(8)％，兩項(xiàng)指標(biāo)均創(chuàng)造公開(kāi)報(bào)道最高紀(jì)錄。同時(shí)，在態(tài)讀出過(guò)程中丟失原子的概率始終低于3‰，展現(xiàn)了無(wú)損探測(cè)的特性，可兼容需要“線路中測(cè)量”（mid-circuit measurement）的量子糾錯(cuò)協(xié)議。該超快高保真讀出技術(shù)首次使原子態(tài)讀出速度超越光泵浦態(tài)制備速度，通過(guò)采用實(shí)時(shí)決定的方法，研究組還將原子態(tài)制備時(shí)間較傳統(tǒng)光泵浦方法縮短4倍。因此，這一工作為理解多技術(shù)協(xié)同機(jī)制、優(yōu)化量子協(xié)議性能等提供了新思路。
該成果實(shí)現(xiàn)了超快高保真度的原子態(tài)讀出，對(duì)于降低量子計(jì)算中的時(shí)間和物理資源消耗，以及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。審稿人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)：“The importance of this work lies in the achievement of impressively high state readout speed and fidelity, as this is an advance for quantum networking with neutral atoms.... timely and likely to spark excitement within the quantum information science community（本研究的重要意義在于實(shí)現(xiàn)了極高的態(tài)讀出速度與保真度，這標(biāo)志著中性原子量子網(wǎng)絡(luò)研究的重要突破……該成果不僅恰逢其時(shí)，更有望在量子信息科學(xué)領(lǐng)域引發(fā)廣泛關(guān)注）”，“The novelty here lies in the record time windows within which the authors are able to read out the atomic state with high fidelity.... The result offers two applications that are potentially quite significant for neutral-atom-based quantum technologies and will be of broad interest（本研究的創(chuàng)新性在于實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間窗口，研究者可在此時(shí)間范圍內(nèi)以高保真度讀取原子態(tài)……該成果不僅為中性原子量子技術(shù)提供了兩個(gè)極具潛力的應(yīng)用方向，更將引發(fā)該領(lǐng)域的廣泛關(guān)注）”。
量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員王健和博士研究生黃冬郁為論文的共同第一作者。該工作得到了合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的支持。
圖1：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
