图：光子-1和光子-2是从光子源随机产生的。光子-1通过存储脉冲存储在量子存储器中，而光子-2进入光纤延迟线。随后，通过施加第二个检索脉冲，与photon-2同步地从存储器中检索photon-1。因此，这两个光子在存储器之后被同步。来源：Davidson et al
量子物理领域的一个长期挑战是个体和独立产生的光子(即光粒子)的有效同步。认识到这一点将对依赖于多个光子之间相互作用的量子信息处理产生至关重要的影响。
Weizmann Institute of Science的研究人员最近展示了在室温下使用原子量子存储器实现单个、独立产生的光子的同步。他们的论文发表在Physical Review Letters上，可以为多光子态的研究及其在量子信息处理中的应用开辟新的途径。
“这个项目的想法是在几年前产生的，当时我们的团队和 Ian Walmsley 的团队展示了一种原子量子存储器，与典型的存储器相比，它具有倒置的原子水平方案——阶梯存储器，名为快速阶梯存储器(FLAME)，”进行这项研究的研究人员之一Omri Davidson告诉Phys.org。“这些存储器速度快，无噪声，因此它们对单光子的同步很有用。”
光子量子计算和其他量子信息协议依赖于多光子态的成功生成。由于迄今为止研究中使用的大多数量子源都是概率性的，它们不适合以合理的速率产生多光子态。
作为他们最近研究的一部分，Omri Davidson和他的同事们开始探索使用原子量子存储器实现这些状态的可能性，这种设备可以存储光子的量子状态，同时保留它们携带的量子信息。他们的预测是，他们的原子量子存储器将能够存储概率产生的光子，并按需释放它们，以产生多光子状态。
Omri Davidson说:“目前研究的目标是首次使用独立的室温原子量子存储器来证明单光子的同步。”“为了实现这一目标，我们必须通过几项改进来重建存储器，并建立一个单光子源，产生可以有效地与存储器接口的光子。最后，我们将演示实际的光子同步，该同步将光子源和存储模块连接在一起，并配有适当的实验控制电子设备。”
FLAME是研究人员使用的量子存储器，是他们之前研究的一部分，它依赖于一个倒置的原子水平方案，被称为阶梯方案。传统的基态存储器速度慢且易受噪声影响，与之相比，FLAME既快又无噪声，但它只能在较短的时间内存储信息。由于速度和无噪声是单光子同步的基本特性，他们希望这将使他们能够产生多光子量子态。
Davidson解释说:“我们在铷原子中的特定阶梯方案的第二个优点是，信号和控制光场转换的波长不匹配很小。”“与其他波长不匹配较大的阶梯方案相比，由于双光子多普勒展宽较小，这使得存储器寿命相对较长。最后，我们使用与我们的存储器相同的原子级结构产生光子，这使得光子与存储器有效耦合。”
该团队的FLAME存储方案的许多优点共同促成了他们实验的成功，使他们能够以高速率同步单个光子。利用他们的原子量子存储器，他们能够存储和检索单光子，端到端效率为ηe2e=25%，g(2)h=0.023，达到每秒超过1000对同步光子的速率。
G (2) h，即光子反聚束，是衡量单光子“单一”程度的指标。完美单光子的g(2)h= 0，而经典光的g(2)h= 1。因此，在g(2)h= 0.023时，由于存储器的无噪声操作，研究人员同步的光子几乎保持完美的单光子。
“我们能够以高速率同步与原子系统兼容的光子，”Davidson说。“与原子兼容的光子对于许多光子量子信息协议都很重要，例如确定性的双量子比特纠缠门。以前的光子同步演示要么使用与原子系统不兼容的宽带光子，要么使用与极低速率的原子系统兼容的光子。”
Davidson和他的同事在他们的实验中获得的光子同步率比以前使用与原子系统兼容的光子的演示好1000多倍。他们的工作为研究多光子态和原子之间的相互作用开辟了新的途径，例如所谓的确定性双光子纠缠门。在未来，它可能对量子信息处理和量子光学系统的实现具有重要意义。
“我们目前正在探索两条研究路径，”Davidson补充说。“第一个是实现与铷原子的强光子-光子相互作用，在一个类似于用于同步的系统中。实现这一目标将使我们能够展示同步单光子之间的确定性纠缠门。
“这些门是光子量子计算的重要组成部分，因为它们能够减少当前追求的方法(称为线性光学量子计算)的成本。迄今为止，这些门仅在冷原子设置中进行了演示，而不是热原子，这限制了这些系统的可扩展性。”
在接下来的研究中，Davidson和他的同事还计划进一步开发他们的FLAME存储器，使其能够存储光子量子位(即，两个偏振态的量子叠加态的光子)，而不是仅存储一个偏振态的单个光子。这可能最终使他们能够使用光子进行量子计算。
[1]Omri Davidson et al, Single-Photon Synchronization with a Room-Temperature Atomic Quantum Memory, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.033601
