（图片来源于光子盒公众号）

中性原子量子态的测量能力是构建基于原子的量子网络的核心技术，对分布式量子计算与长程量子通信至关重要。然而，单个中性原子存在光子散射率低与囚禁势阱浅等固有局限，严重制约量子态读取的速度与保真度。

该成果以“Ultrafast High-Fidelity State Readout of Single Neutral Atom”为题于6月20日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并入选编辑推荐论文（Editor's suggestion）。

本文中，研究人员通过将单个中性原子与处于珀塞尔（Purcell）区的高精细度光纤法布里-珀罗微腔耦合，实现了原子光发射速率的显著增强与系统整体效率的大幅提升，从而实现了原子超精细结构“亮态”与“暗态”的超快高保真度判别。实验表明，在200纳秒内即可达到99.1(2)%的读取保真度，9微秒内保真度可达99.985(8)%，其速度和保真度均创造公开报道最高纪录。

此外，研究还证明了基于超快状态读取的实时决策协议可以有效加速通过光泵浦进行的态制备。这项工作展示了其作为高性能原子-光子接口的潜力，并为实际基于原子的量子网络的实现铺平了道路。

审稿人对该工作给予高度评价：“研究的重要意义在于实现了极高的态读取速度与保真度，标志着中性原子量子网络研究的重要突破……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。”

图：实验系统示意图

01  研究背景

单中性原子具备出色的可扩展性、能实现高性能通用量子门且拥有高效光-物质接口，在量子网络的物理实现中极具潜力。快速且高保真的态读取是量子操作的核心环节，对构建高性能量子网络至关重要。

在量子网络构建的关键过程（如纠缠交换和量子纠错）中，缩短态检测时间可显著提升网络通信速率，提高检测保真度则能降低资源消耗。然而，传统的自由空间原子态检测方法（如态选择性荧光检测和基于电离的态读取）受限于光子收集效率低和陷阱深度浅，即使耗费数百微秒，也难以实现高保真度检测。虽然原子与光学腔的强耦合能增强光子收集效率，实现快速、高保真和无损态读取，但实际量子网络应用仍迫切需要更快速度和更高保真度的无损态读取方法。

02  理论方法

本研究的核心理论方法是将单中性原子与基于光纤的法布里-珀罗微腔（FFPC）在珀塞尔区域进行耦合，同时结合循环跃迁的强共振驱动和低动量转移激发策略。在珀塞尔区域，原子-腔耦合可大幅增强原子的本征光发射特性，使原子衰变率显著提升，且光子能被高效收集和输出耦合。系统的协同性C=g2/(2κγ)（其中g为原子与腔的实际耦合强度，κ为腔场衰减率，γ为原子极化衰减率）决定了激发态寿命的缩短程度。当腔与跃迁共振时，激发态寿命降低(2C+1)倍，这可从通过腔收集的荧光快速衰减模式中提取。通过发送与特定跃迁共振的短脉冲激光，测量荧光寿命和展宽的跃迁线宽，可验证珀塞尔增强效果，并推断出系统的协同性。此外，在连续弱外部驱动下，进入腔的发射率Rc与驱动频率、原子和腔的失谐等因素相关，其荧光线形仍为洛伦兹型，但会展宽(2C+1)倍 。通过调整驱动频率，可获得对应激光频率的荧光计数，进一步确定系统协同性。

03  实验方案

实验以单87Rb原子为研究对象，将其囚禁于FFPC中心。通过两束反向传播的850nm激光束和776nm腔内驻波形成二维光学晶格实现原子囚禁；一对共焦非球面透镜将850nm激光束聚焦至11μm；一对正交线偏振反向传播的780nm激光束用于偏振梯度冷却；沿z方向施加200mGs的偏置磁场作为量子化轴；另一对非球面透镜将两束反向传播的 780nmσ+偏振探测光束聚焦至20μm，且两束探测光强度平衡、空间重叠，以减少对原子的净动量转移。

图1：原子-FFPC系统示意图

图2：原子-FFPC协同性的表征

FFPC由间距80μm的两个高反射镜构成，高透射率的镜子作为输出耦合通道连接滤波和检测装置。原子冷却囚禁后，其散射光子被腔收集，由单光子计数模块检测，输出信号经基于FPGA的控制器分析以启动实验序列。

实验中，先将原子冷却1ms，再通过光学泵浦分别制备亮态或暗态，随后施加4μs态读取脉冲确认制备成功，接着进行特定配置的态读取过程，分析检测到的光子数，并通过优化判别阈值来最小化推断的不忠实度。

04  研究成果

本研究利用工作在珀塞尔区域的光纤微腔-中性原子腔量子电动力学系统，在提高光子收集效率的同时极大增强了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，展现出作为高性能中性原子-光子量子接口和量子网络节点的潜能。

本研究实现了单中性原子的超快高保真态读取。通过增强光子发射率和系统整体效率，使光子检测率超过18 Mcps。在200 ns内，态读取保真度达到99.1 (2)%；9μs内，保真度高达99.985 (8)%，两项指标均创造公开报道最高纪录。同时，在态读取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”（mid-circuit measurement）的量子纠错协议。

图3：基于荧光的态读取激光配置与结果

图4：超快态读取实现的加速态制备

利用超快高保真态读取，结合实时决策协议，研究团队还将原子态制备时间较传统光泵浦方法缩短4倍。制备暗态时，将原24 μs的制备时间分割优化后，平均完成协议时间缩短至5.98μs；制备亮态时，从1.0 μs缩短至0.65 μs，加速因子分别达4.0和1.5，失败率均低于对应态读取的不忠实度。

该研究成果使系统有望成为高性能原子-光子接口和量子网络节点，可降低实际应用中的时间开销和物理量子比特消耗，满足设备无关协议对类空分离的严格要求，提升量子网络运行速度，为量子协议设计提供新视角。未来，通过三维紧约束、更精确原子位置控制等手段，有望进一步提升态读取的速度和保真度，并将研究拓展至原子阵列，实现更多量子操作。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.240802