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• 量子寄存器导论
• 用最优的时间波形生成预示的单光子偏振量子位
• 单光子偏振量子比特的量子存储器

正文

量子寄存器导论

量子存储器能够存储未知的量子态，并能在可控的时间延迟下按需获取量子态，是实现基于中继器的长距离量子网络和大规模量子计算机的关键技术。与经典存储器不同，量子存储器的效率在保存量子信息方面起着更重要的作用。例如，在没有后选择的情况下超过量子不可克隆限制要求存储效率超过50%，这对于单向量子计算中的一些纠错协议也是必要的。然而，实现存储效率和量子态保真度接近统一的量子存储器仍然是一个挑战。

在飞行光子模式和长寿命物质态之间的光-物质界面上建立了一个光子存储器。高效光存储技术已经在各种有前景的方案中得到验证，例如光子回波技术的效率为87%，非共振拉曼相互作用的效率为30%，电磁感应透明(EIT)的效率为92%。然而，所有这些实验演示都是用衰减的弱相干激光脉冲进行的。

虽然一个弱相干激光脉冲可以包含一个平均光子数在单光子水平或低于单光子水平，但光子数的不确定性使得它不利于许多量子信息处理协议的实现。例如，线性光学量子计算需要操纵单光子量子比特，并且不能与相干光脉冲一起工作。上述证明的高效相干脉冲光存储器能否直接工作于单光子Fock态还不明显。在高效单光子量子存储的道路上，主要有两个挑战。第一个挑战是抑制噪声。不相关的噪声对相干脉冲的时域和频域特性影响不大，但会显著降低单光子态的纯度。在相干光脉冲的实验中，由于强控制激光束与记忆光模式近似共线，它们的散射和与单光子探测的耦合极其难以滤除以实现单光子存储。第二个挑战是使具有可控光谱-时间状态的单光子与记忆模式匹配，而这对于相干光脉冲整形根本不困难。因此，单光子时间波形的最高效率记录为49%，单光子偏振量子比特为10%，纠缠量子比特为26.7%。提高存储效率是量子存储实用化的关键。例如，在基于中继器的量子网络中，存储效率每提高1%，纠缠分布率就会增加超过10%的值。

本文展示了一种高效的基于eit的单光子偏振量子比特冷原子量子记忆，效率超过85%，保真度超过99%。通过将二维希尔伯特空间中的未知光子量子比特状态映射到原子介质中的两个平衡空间模式，并使用单个控制激光束动态地读写存储的量子比特，实现了这一目标。为了克服上述第一个挑战，设置了角度为2.2度的控制激光束，以抑制强控制激光束对量子比特模式的散射和耦合。与其他滤波技术一起，最小化系统噪声，以实现高量子态保真度和单光子纯度。同时，大角度分离引起的相位失配显著抑制了四波混频(FWM)非线性过程。其次，实现了具有可控时域波形的先兆窄带单光子，其波形与存储器的频谱-时域模式相匹配。单通道时态模式量子存储器的优化效率可高达90.6%。该存储器的时延带宽积约为10，单光子量子比特可存储10个脉冲时延，在双光子阈值以下效率超过80%。由于基于eit的量子存储器已被证明与各种量子方案兼容，因此本工作将使其更接近实际应用。

图1） 单光子量子存储器的实验装置和能级方案。a.实验光学装置示意图。第一个磁光阱(MOT1)中的冷原子是产生时频纠缠光子对的非线性光学介质，而第二个磁光阱(MOT2)中的冷原子是量子记忆的介质。通过由石英波片(QWP)和半波片(HWP)组成的量子比特操纵单元(QMU)对反斯托克斯光子进行任意偏振态编码。经过QMU后，两个正交的线偏振被偏振束位移器分离成两束(BD)耦合到量子存储器的两个平衡空间信道CHh和CHv中。存储器读出的数据在第二个BD处重新组合，并用量子比特分析仪测量偏振态。b.记忆操作时序显示每个实验周期的MOT序列和优化的控制激光强度时变剖面。c.基于电磁感应透明(EIT)的量子存储器的原子能级方案。

用最优的时间波形生成预示的单光子偏振量子位

图2： 量子存储器两个平衡通道的表征。a,b CHh和CHv通道单脉冲延迟存储前后的预告单光子的时域波形。记录了900秒内的光子符合计数。实线是拟合最好的理论波形。输入波形用高斯函数拟合，反演波形按理论模型进行数值计算。c.测量到的量子存储器的EIT传输剖面。实线是理论曲线。d.通道CHh和CHv的存储效率随存储时间延迟的变化。e.检索到的单光子的条件二阶自相关gc作为存储时间延迟的函数。作为参考，在同图中，输入单光子的gc表示为0 ns的存储时间。Gc是在700纳秒的符合时间窗内测量的。误差条来自统计量的标准偏差。

为了实现高的存储效率，需要一个合适的单光子源来匹配量子存储器的光谱-时间特性。在这里，通过将泵浦场空间轮廓映射到MOT1中产生的双光子时间波形来实现光子整形技术。利用平面凸透镜将泵浦光聚焦到原子云中心，产生高斯双光子波形。与其他使用时域调制的波形成形技术相比，该方法具有较高的预测效率，并保持了配对Stokes光子和反Stokes光子之间的频率纠缠。在Stokes光子的探测下，其配对的频率反相关反Stokes光子被投影到一个具有明确时间波形的纯单光子态。在斯托克斯光子的探测下，它的成对频率反或相关反斯托克斯光子被投影到一个纯单光子态，具有明确的时间波形。

单光子偏振量子比特的量子存储器

由于原子能级配置如图1( c)所示，EIT量子存储器对其中一种圆偏振(σ+)进行了优化。为了将偏振量子比特态存储在二维希尔伯特空间中，采用空间复用双轨方案，将两个偏振基|H>和|V>转换为两个可同时存储在存储器中的空间模式。如图1(a)所示，经过光束位移器(BD)后，|H>和|V>偏振模式发生了空间分裂。经过HWP后，|V>极化转变为|H>极化。|V>偏振经过HWP后变为|H>偏振。然后两束|Hi偏振光通过一个公共的QWP和σ+圆极化存储器。当光子进入记忆体时，控制激光束被关闭。经过一个可编程的时间延迟后，控制光束被打开以读出光子空间模式。采用空间-偏振反向过程，在二次BD后将两个空间模式合并，使用由HWP、QWP和PBS组成的偏振量子比特分析仪测量输出光子偏振态。

为了在极化量子比特存储器中实现高保真度，要求CHh和CHv两个空间通道具有相同的存储效率和性能。在最佳存储条件下，对于CHh和CHv两个通道，在0.3 ms的存储时间内，控制光的Rabi频率从Ωc = 10.2γ13线性变化到9.2γ13，以补偿OD从300到250的时间变化。两个通道在|1i和|i态间具有相同的退相率γ12 = 0.0007γ13，自发发射产生的γ13 = 2π × 3 MHz为激发态的退相率。如图2(a)和(b)所示，检索到的时域波形在两个通道中几乎相同，相似度高达96%。在单脉冲延时下，通道CHh和CHv的存储效率分别为(85.63±1.31)%和(86.31±1.32)%。图2( c)为EIT传输分布图。图2(d)显示了测量到的存储效率作为存储时间延迟的函数，在两个通道中显示了相同的行为。剩余磁场梯度导致了存储效率的非指数衰减。

图3：单光子偏振量子比特的量子记忆。a,b,c, d给出了四种极化量子比特态的量子存储操作和性能|H>， |V>， |D> = 1/√2(|H> + |V>)， |L>= 1/√2(|H>+ i|V>)。图中的每一列分别表示Bloch球上对应的输入偏振态、存储前后的时域波形以及重建的检索量子比特的密度矩阵。

量子存储器的整体性能。a存储恢复量子比特保真度，b存储效率，c g_c⁽²⁾和读出噪声概率作为极化量子比特态存储时间的函数|L>= 1/√2(|H>+ i | V>。误差条是由测量的符合计数的统计不确定性所引起的标准偏差。

为确认两个记忆通道都保留了单光子的量子性质，测量了检索光子的条件2ndorder自相关函数g(2) c。理想的单光子Fock态给出g(2) c = 0，因为单个光子不能分成两个，g(2) c = 0.5是双光子态。图2(e)显示了符合窗口700ns下g(2) c随贮藏时间的变化曲线，g(2) c随贮藏时间的增加而增加。零存储时的g(2) c作为不存储时的参考值，用来衡量预示的单光子源的质量。对于小于3 μ s的存储时间，两个通道都在双光子阈值以下运行，存储效率高于80%。3 μ s后g(2) c的退化是噪声光子和存储效率下降的结果。以3 μ s作为稳定存储时间，我们的延迟带宽积为10，对应于单光子存储的最大10个脉冲延迟。

在对两个通道进行优化以平衡性能后，开始单光子偏振量子比特存储测量，以确认两个通道之间的相对相位在存储过程中得到保留。该内存可用于存储任意未知偏振量子比特。以|H>、|V>、|D> = 1/√2(|H>+ |V>)、|L> = 1/√2(|H>+ i |V>)四种状态的存储为例，其单脉冲延迟下的实测时域波形和极化密度矩阵如图3所示。存储效率和保真度如表所示。1、量子比特存储效率在85%以上，近一致保真度达到99%。为了显示整体内存性能，在图4中绘制了状态|L>的保真度、存储效率和g(2) c作为存储时间的函数。3 μ s以内，保真度高达95%，存储效率大于(78.12±0.81)%，g(2) c < 0.5。保真度与存储效率和g(2) c有很强的相关性。3 μ s后，由于存储效率的降低和双光子概率的增加，保真度迅速下降。