[论文解读] Single-shot measurement of a Rydberg superatom via collective photon burst

Chao-Wei Yang, Jun Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 34被引用 4

一句话总结

该论文通过低精细度腔中集体光子脉冲实现了Rydberg超原子量子比特的确定性、单次测量，保真度达93.2%。利用Rydberg阻塞效应与微波拉曼脉冲，系统在|r₁⟩态下产生连续光子脉冲，而在|r₂⟩态下抑制发射，实现4.8 μs内通过光子计数进行高保真度态判别，光纤内收集效率达44%。

ABSTRACT

With Rydberg dipole interactions, a mesoscopic atomic ensemble may behave like a two-level single atom, resulting in the so-called picture of superatom. It is in potential a strong candidate as a qubit in quantum information science, especially for efficient coupling with single photons via collective enhancement that is essential for building quantum internet to connect remote quantum computers. Previously, preliminary studies have been carried out in demonstrating basic concept of Rydberg superatom, a single-photon source, and entanglement with a single photon, etc. While a crucial element of single-shot qubit measurement is still missing. Here we realize the deterministic measurement of a superatom qubit via photon burst in a single shot. We make use of a low-finesse ring cavity to enhance the atom-photon interaction and obtain an in-fiber retrieval efficiency of 44%. Harnessing dipole interaction between two Rydberg levels, we may either create a sequence of multiple single photons or nothing, conditioned on the initial qubit state. We achieve a single-shot measurement fidelity of 93.2% in 4.8 us. Our work complements the experimental toolbox of harnessing Rydberg superatom for quantum information applications.

研究动机与目标

• 通过展示Rydberg超原子量子比特的确定性单次测量，弥合实验量子控制中的关键空白。
• 通过集体光子发射实现无损、高保真度读出，克服原子系综中低效、概率性测量的局限。
• 将腔增强与Rydberg阻塞及微波控制相结合，实现在单次内可扩展、高保真度的量子比特测量。
• 通过设计的光子脉冲实现任意基的投影测量，用于量子态层析。

提出的方法

• 低精细度环形腔增强原子-光子相互作用，实现44%的光纤内单光子收集效率，光学深度为1.9。
• 通过795 nm与474 nm激光实现双光子激发，在Rydberg阻塞半径内制备集体|r₁⟩态的Rydberg超原子。
• 微波拉曼脉冲相干地实现超原子在|r₁⟩与|r₂⟩态之间的转移，实现态依赖的光子发射。
• 通过12次重复的激发与收集循环生成光子脉冲，检测采用单模光纤耦合的超导纳米线单光子探测器。
• 通过Pockels细胞实现动态噪声滤波，抑制背景噪声，提升单次判别信号-噪声比。
• 通过可变微波脉冲施加任意幺正变换，实现不同基的量子态层析测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用集体光子发射在单次内以高保真度测量Rydberg超原子量子比特？
• RQ2 腔增强如何影响集体原子激发的收集效率与测量保真度？
• RQ3 微波拉曼脉冲能否实现态依赖的光子脉冲生成，以实现确定性测量？
• RQ4 在区分|r₁⟩与|r₂⟩超原子态时，单次测量可实现的保真度是多少？
• RQ5 能否通过设计的光子脉冲实现任意基测量，用于量子态层析？

主要发现

• 校正态态制备保真度后，单次测量保真度达93.2%，其中|r₂⟩态为94.6%，|r₁⟩态为91.8%。
• 采用低精细度腔后，光纤内单光子收集效率提升至44%，显著优于自由空间收集（最大21%）。
• |r₁⟩态下系统在4.8 μs内平均发射2.63个光子，而|r₂⟩态下发射被抑制至0.19个光子，实现清晰判别。
• 光子发射统计呈现泊松类似分布，|r₁⟩态下有8.2%的零光子事件；|r₂⟩态下1.2%的暗计数噪声导致残余发射。
• 对叠加态(|r₁⟩+|r₂⟩)/√2与0.88|r₁⟩+0.47|r₂⟩的量子态层析，保真度分别为89.3%与88.6%。
• 原始保真度为91.3%，主要保真度退化源于微波脉冲不完美性与机械相位不稳定性。