[论文解读] Atom-Photon Entanglement

Jürgen Volz, Weber, Markus+6 more|ArXiv.org|Nov 18, 2005

Quantum Mechanics and Applications参考文献 87被引用 3

一句话总结

该论文通过一种新颖的单原子态分析方法（STIRAP）实现了87Rb原子与波长为780 nm的单个光子之间高保真度的量子纠缠，完成了完整的量子态层析。实验实现了0.87±0.01的保真度和0.86±0.01的可见度，首次实现了原子-光子纠缠的完整表征，为无漏洞贝尔测试和长距离量子网络铺平了道路。

ABSTRACT

We report the observation of entanglement between a single trapped atom and a single photon at a wavelength suitable for low-loss communication over large distances, thereby achieving a crucial step towards long range quantum networks. To verify the entanglement we introduce a single atom state analysis. This technique is used for full state tomography of the atom-photon qubit-pair. The detection efficiency and the entanglement fidelity are high enough to allow in a next step the generation of entangled atoms at large distances, ready for a final loophole-free Bell experiment.

研究动机与目标

• 在电信友好波长（780 nm）下生成并验证单个被捕获原子与单个光子之间的纠缠。
• 克服在不引入额外态操控的前提下测量原子量子比特态的挑战，实现完整的量子态层析。
• 展示适用于长距离量子网络和未来无漏洞贝尔不等式检验的高保真度原子-光子纠缠。
• 通过将原子量子存储器与光通信信道耦合，建立可扩展的量子信息处理平台。

提出的方法

• 利用磁光阱（MOT）和后续冷却，将87Rb原子捕获在单模光镊势阱中。
• 将原子激发至$^{2}P_{3/2}, F'=0$态，其通过自发辐射衰减为$|m_F = \pm1\rangle$原子态与$\sigma^{\pm}$-偏振光子的叠加态。
• 沿 quantization 轴发射的光子通过单模光纤收集，并通过偏振分析测量光子量子比特。
• 采用受激拉曼绝热通道（STIRAP）技术对原子量子比特态进行分析，无需额外的态操控。
• 基于STIRAP的探测方法对原子-光子纠缠态对执行完整的量子态层析，实现密度矩阵的重构。
• 通过可见度测量和保真度估计验证纠缠，可见度与保真度由实验相关性量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一种新颖的态分析技术，在780 nm波长下实现并验证单个被捕获原子与单个光子之间的高保真度纠缠？
• RQ2 单个原子在Λ型能级结构中自发辐射是否如量子力学预测的那样产生相干叠加态？
• RQ3 能否在高探测效率和低态制备误差条件下，实现原子-光子系统的完整态层析？
• RQ4 所观测到的纠缠保真度是否足以支持未来在纠缠交换协议中实现无漏洞贝尔不等式检验？
• RQ5 探测效率与可见度是否足够高，以支持基于原子存储器与光链路的可扩展长距离量子网络？

主要发现

• 实验实现了高纠缠保真度$ F = 0.87 \pm 0.01 $，证实了原子与光子态的相干叠加。
• 原子-光子关联的平均可见度测量为$ V_{\text{at-ph}} = 0.86 \pm 0.01 $，表明存在强量子关联。
• 通过基于STIRAP的单原子态分析，成功实现了原子-光子量子比特对的完整态层析，实现了纠缠态的直接重构。
• 由于测量具有触发特性，原子态测量的探测效率实际上达到100%，每次光子探测均产生有效结果。
• 在纠缠交换后，预期原子-原子纠缠的可见度为$ V_{\text{at-at}} = 0.74 \pm 0.01 $，超过CHSH贝尔不等式违反的0.71阈值。
• 在12天内测量约7000对原子后，利用所观测参数，三倍标准差显著性水平下实现无漏洞贝尔不等式违反是可行的。