中国科大实现超快高保真度中性原子态探测

中国科大郭光灿院士团队在中性原子量子信息研究方向取得关键性突破。由李传锋、王健组成的研究小组通过将光纤微腔与中性原子的普塞尔（purcell）区域耦合，成功实现了超快且高保真度的原子态读出，其速度和保真度均刷新了公开报道的最高记录。该研究成果以“ultrafast high-fidelity state readout of single neutral atom”为题，于6月20日发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上，并被选为编辑推荐论文（editor's suggestion）。同时，美国物理学会physics网站以“enhanced light emission improves atom readout”为题对该成果进行了专题报道，评价本工作“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”。

中性原子凭借其良好的可扩展性、成熟的门操作以及光学波段接口，被视为极具前景的量子通信与量子计算平台。然而，在中性原子系统中，态读出与态制备占据了量子计算和量子网络协议中的大部分时间开销，因此提高读出的速度与准确性对于减少时间和资源消耗至关重要。受限于浅势阱深度、低光子散射率及探测效率，自由空间中原子态读取的时间通常在百微秒量级。即使已有研究尝试利用强耦合光学腔提升光子收集效率，原子态读出仍需数个微秒。

为解决这一难题，研究组采用了一种基于普塞尔区域工作的光纤微腔-中性原子腔量子电动力学系统，不仅提升了光子收集效率，更显著加快了原子的光子辐射速率。该系统的协同因子达到4.7，使原子的自发辐射速率提高了约10倍，显示出作为高性能中性原子-光子量子接口和量子网络节点的巨大潜力。此前，研究组已借助这一特性，在同类系统中首次观测到原子共振荧光中的双光子纠缠[Phys. Rev. Lett. 134, 053401 (2025)]。

在此基础上，研究组通过对闭循环跃迁的强共振驱动结合低动量转移激发策略，将腔内读出光子的探测计数率提升至18M/s。得益于极高的荧光亮度，他们在200纳秒的时间窗口内实现了99.1(2)%的原子态读出保真度，并在9微秒的时间窗口内将保真度进一步提升至99.985(8)%，两项指标均为目前公开报道的最优水平。此外，在态读出过程中丢失原子的概率始终低于3‰，展现出无损探测的优势，适用于需要“线路中测量”（mid-circuit measurement）的量子纠错协议。该超快高保真读出技术首次使得原子态读出速度超过光泵浦态制备速度。通过引入实时决策机制，研究组还将原子态制备时间相比传统光泵浦方法缩短了4倍。这项进展为理解多技术协同机制、优化量子协议性能等提供了新的视角。

该成果实现了超快高保真度的原子态读出，对降低量子计算中的时间与资源消耗，以及构建长程可扩展的量子网络具有重要意义。审稿人高度评价了该项工作：“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（本研究的重要意义在于实现了极高的态读出速度与保真度，这标志着中性原子量子网络研究的重要突破……该成果不仅恰逢其时，更有望在量子信息科学领域引发广泛关注）”，“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（本研究的创新性在于实现了创纪录的时间窗口，研究者可在此时间范围内以高保真度读取原子态……该成果不仅为中性原子量子技术提供了两个极具潜力的应用方向，更将引发该领域的广泛关注）”。

量子网络实验室特任副研究员王健与博士研究生黄冬郁为本论文的共同第一作者。该研究得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金委以及中国科学技术大学的资助支持。

图1：实验系统示意图

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