中国科大首次观测到原子共振荧光中的双光子纠缠

中国科学技术大学郭光灿院士团队在光纤微腔腔量子电动力学研究中取得突破性进展。李传锋、王健等研究人员利用光纤微腔-铷原子系统，首次实验验证了原子共振荧光中双光子纠缠的存在，研究成果于2月5日发表在《物理评论快报》上。

共振荧光作为最基本的量子光源，其研究一直是量子光学领域的焦点。理论预测，共振荧光包含弹性散射和非弹性散射两种成分，后者可产生能量-时间纠缠的双光子。然而，由于非弹性散射概率低，以及原子线宽窄、囚禁难度大、荧光收集效率低等技术瓶颈，此前一直未能实验观测到这一现象。

该团队长期致力于光纤微腔实验研究，自主搭建了完整的实验平台，并开发出工作于普塞尔区域的光纤微腔-中性原子系统。相比于传统的强耦合区域，普塞尔区域系统具有光子读出速度快、增益谱线宽、收集效率高等优势，更适合开展量子光学和量子网络实验。研究人员利用二氧化碳激光器烧制并镀膜，制备出模式体积极小的法布里-珀罗微腔，实现光与原子的高效相互作用。同时，通过抑制偶极阱引起的腔长漂移和可移动光学晶格等技术，实现了分钟级寿命的单原子囚禁。

研究团队利用该系统研究共振荧光中的非弹性散射过程，通过自主设计的过耦合机制光学陷波滤波器，有效滤除弹性散射成分，观测到光场分布从亚泊松分布转变为超泊松分布。随后，采用Franson型干涉仪对双光子进行联合分析，以超过8个标准差的显著性结果违背贝尔不等式，实验证明了非弹性散射光子的能量-时间纠缠特性。进一步调控光纤微腔与单原子的耦合强度，观测到双光子线宽的连续变化，证实了该方法产生的纠缠态与中性原子光量子网络接口的兼容性。

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图1：实验原理与装置图。（a）二能级原子的弹性散射和非弹性散射过程；（b）共振荧光谱线和光学腔增益谱线；（c）光纤微腔-中性原子实验系统装置图。

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图2: 非弹性散射过程中的能量-时间纠缠实验结果。（a）两光子时间分辨相关性测量结果；（b）双光子纠缠态干涉曲线。

这项研究首次实验验证了中性原子共振荧光中非弹性散射过程的纠缠特性，深化了对共振荧光机制的理解，并为中性原子光量子网络提供了一种新的光子纠缠源制备方案。审稿人高度评价了该工作的创新性，认为其方法与已有的基于原子或离子的方法完全不同，并对实验中使用的失谐激发、时间分辨测量、原子兼容波长和线宽以及有效的光谱滤波技术表示赞赏。

中国科学院量子信息重点实验室特任副研究员王健和博士后周小龙为论文共同第一作者。该研究得到了科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委和中国科学技术大学的资助。

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