基于里德堡阻塞机制产生确定性窄线宽纠缠光子对的研究

Narrowband entangled photon pairs are the key resources to realize long-distance quantum communication based on quantum memory(such as the DLCZ scheme), distributed quantum computing and quantum networks. However, the existing narrowband entangled photons preparation scheme based on cold atomic ensembles have inevitable probabilistic defects, which greatly limits their application efficiency. The blockade effect of Rydberg atom can suppress the generation of higher-order excited states and achieve the deterministic preparation of quantum entangled states, thus significantly improving the connection efficiency and working performance of quantum repeaters. Therefore, this project intends to carry out the experimental research on deterministic narrowband entangled photon pairs based on the blockade mechanism of cold Rydberg atoms. The main contents are as follows: 1. Capture the high density and tiny atomic ensemble in an optical dipole ; 2) Use the quantum adiabatic shortcut technology to enhance the fidelity of Rydberg two-photon excitation process; 3. Achieve the single excited state transfer from the Rydberg state to Rubidium 5D5 /2 state; 4. Efficiently and deterministically generate the cascade narrowband entangled photon pairs. The implementation of this project will provide support for the development of long-distance quantum communications, distributed quantum computing and quantum networks.

窄线宽纠缠光子对是实现基于量子存储的长距离量子通信(如DLCZ方案)，以及分布式量子计算和量子网络的关键资源。然而，现有基于冷原子系综的窄线宽纠缠光子对制备方案具有不可避免的概率性缺陷，极大限制其应用效率。利用里德堡原子的阻塞效应能抑制高阶激发态的产生，实现量子纠缠态的确定性制备，从而显著提升量子中继器的连接效率和工作性能。因此，本项目拟在冷原子系综中，开展基于里德堡阻塞机制产生确定性窄线宽纠缠光子对的实验研究工作，具体研究内容为：1.在光偶极阱中俘获高密度的微小原子系综；2. 利用量子绝热捷径技术提高里德堡双光子激发过程的保真度；3. 利用相干操控手段实现从里德堡单激发态到铷原子5D5/2单激发态的转移；4. 高效而确定性地产生级联型的窄线宽纠缠光子对。本项目的实施成果将为长距离量子通信、分布式量子计算以及量子网络的发展提供支撑。

项目计划在窄线宽纠缠光源以及里德堡原子相干操控等领域开展相关研究，包括如何利用量子绝热捷径技术提高里德堡双光子激发效率以及确定性纠缠源的实现，主要取得了以下成果：. 1）利用空间光调制技术，在冷原子系综中产生波形可控的窄线宽光子对，实验测量了此量子光源的二阶自相关函数，g(2)(0)<0.1，证明光源具有良好的单粒子特性（Chin. Phys. Lett. 36, 080301(2019)）；. 2）实验实现效率高于90%的单光子存储器，首次突破量子不可克隆极限（Nature Photonics 13, 346 (2019)）；. 3）通过时间频率关联谱测量，实验实现窄线宽时间-频率纠缠光子对纠缠特性的直接验证(Phys. Rev. Lett. 124, 010509 (2020));. 4）实现基于冷里德堡原子电磁诱导吸收效应的微波电场精密测量，测量不确定小于1%( Phys. Rev. A 101, 053432(2020))；. 5）提出基于里德堡原子的超绝热几何量子逻辑门（Opt. Lett. 44, 004801 (2019)）、基于超导-里德堡原子复合体系的超绝热量子接口（Opt. Express, 27, 29639 (2019)）以及非巡回超绝热几何量子计算（Phys. Rev. A 101, 022330 (2020)）等理论方案，对于基于里德堡原子的量子信息处理有一定的参考价值。.执行期间总共发表9篇，其中1篇Nature Photonics，2篇Physical Review Letters，2 篇Physical Review A，以及Optics Letter，Optics Express各1篇，本人为论文中5篇的第一作者或通信作者。其中，我们实验实现了国际最高效率的单光子量子存储，成果以封面文章发表在Nature Photonics。

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