我科学家实现超快高保真度中性原子态探测

中国科学家实现超快高保真度中性原子态探测是中国科学技术大学郭光灿院士团队在中性原子量子信息研究领域取得的重要成果。相关成果以“Ultrafast High-Fidelity State Readout of Single Neutral Atom”为题于2025年6月20日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上，并入选编辑推荐论文。具体情况如下：研究背景：中性原子因出色的可扩展性、成熟的门操作和光学波段接口，成为极具潜力的量子通信与量子计算平台。然而，态读出和态制备消耗了中性原子量子计算与量子网络协议的大多数时间，受限于浅势阱深度、低光子散射率及探测效率，自由空间原子的态读取时长最短为百微秒量级，即使利用强耦合光学腔提高光子收集效率，仍需至少几个微秒，因此提升读出速度与保真度对降低时间与物理资源消耗至关重要。研究方法：李传锋、王健研究组利用工作在普塞尔区域的光纤微腔-中性原子腔量子电动力学系统，提高光子收集效率，极大增强原子的光子辐射速率。该系统的协同因子达到了4.7，原子的自发辐射速率提升了约10倍。同时，利用对闭循环跃迁的强共振驱动，结合低动量转移的激发策略，将腔内读出光子的探测计数率提升至18M/s。研究成果：团队凭借极高的荧光亮度，在200纳秒的时间窗口内实现了保真度99.1(2)％的原子态读出，并在9微秒的时间窗口内把保真度提升到了99.985(8)％，两项指标均创造公开报道最高纪录。同时，态读出过程中丢失原子的概率始终低于3‰，展现了无损探测的特性，可兼容需要“线路中测量”的量子纠错协议。此外，该技术首次使原子态读出速度超越光泵浦态制备速度，通过采用实时决定的方法，还将原子态制备时间较传统光泵浦方法缩短4倍。研究意义：该成果对于降低量子计算中的时间和物理资源消耗，以及实现长程可扩展量子网络具有重要意义，为理解多技术协同机制、优化量子协议性能等提供了新思路。