量子物理学中，一个长期以来的难题是如何有效地同步个体和独立产生的光子。解决这一问题将对依赖多个光子相互作用的量子信息处理产生深远的影响。
魏茨曼科学研究所的研究人员最近展示了如何在室温下利用原子量子存储器实现单个独立光子的同步。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上，为多光子态的研究及其在量子信息处理中的应用开辟了新的可能性。
“这个项目的构思是在几年前形成的，当时我们的团队与伊恩·沃姆斯利的团队展示了一种原子量子存储器，这种存储器采用了与传统存储器不同的倒置原子水平方案——被称为快速阶梯存储器(FLAME)，”参与研究的欧姆里·戴维森告诉Phys.org。“这些存储器具有快速和无噪声的特点，因此非常适合单光子的同步。”
光子量子计算和其他量子信息协议依赖于成功生成多光子态。迄今为止，研究中使用的大多数量子源都是概率性的，无法以合理的速率产生多光子态。
在他们最近的研究中，戴维森和他的同事们开始探索利用原子量子存储器实现这些状态的可能性，这种设备能够存储光子的量子状态，同时保留其携带的量子信息。他们预测，原子量子存储器将能够存储概率产生的光子，并按需释放，以生成多光子状态。
戴维森表示：“目前的研究目标是首次使用独立的室温原子量子存储器来证明单光子的同步。”他补充道：“为了实现这一目标，我们需要通过几项改进来重建存储器，并建立一个单光子源，以产生能够有效与存储器接口的光子。最终，我们将演示实际的光子同步，将光子源和存储模块连接在一起，并配备适当的实验控制电子设备。”
FLAME是研究人员使用的量子存储器，源于他们之前的研究，依赖于一个倒置的原子水平方案。传统的基态存储器速度较慢且易受噪声影响，而FLAME则快速且无噪声，但只能在较短时间内存储信息。由于速度和无噪声是单光子同步的基本特性，他们希望这将使他们能够生成多光子量子态。
戴维森解释说：“我们在铷原子中的特定阶梯方案的第二个优点是，信号和控制光场转换的波长不匹配很小。”他指出：“与其他波长不匹配较大的阶梯方案相比，由于双光子多普勒展宽较小，这使得存储器的寿命相对较长。最后，我们使用与存储器相同的原子级结构产生光子，这使得光子与存储器有效耦合。”
该团队的FLAME存储方案的众多优点共同促进了他们实验的成功，使他们能够以高速率同步单个光子。利用原子量子存储器，他们能够存储和检索单光子，端到端效率为ηe2e=25%，最终反束g(2)h=0.023，达到每秒超过1000对同步光子的速率。
G (2) h，即光子反聚束，是衡量单光子“单一”程度的指标。完美单光子的g(2)h= 0，而经典光的g(2)h= 1。因此，在g(2)h= 0.023时，由于存储器的无噪声操作，研究人员同步的光子几乎保持完美的单光子特性。
“我们能够以高速率同步与原子系统兼容的光子，”戴维森说。“与原子兼容的光子对于许多光子量子信息协议至关重要，例如确定性的双量子比特纠缠门。以往的光子同步演示要么使用与原子系统不兼容的宽带光子，要么使用与极低速率的原子系统兼容的光子。”
戴维森和他的同事在实验中获得的光子同步率比以往使用与原子系统兼容的光子的演示高出1000多倍。他们的研究为多光子态和原子之间的相互作用开辟了新的途径，例如所谓的确定性双光子纠缠门。在未来，这可能对量子信息处理和量子光学系统的实现具有重要意义。
“我们目前正在探索两条研究路径，”戴维森补充说。“第一条是实现与铷原子的强光子-光子相互作用，在一个类似于用于同步的系统中。实现这一目标将使我们能够展示同步单光子之间的确定性纠缠门。
“这些门是光子量子计算的重要组成部分，因为它们能够减少当前追求的方法(称为线性光学量子计算)的资源开销。迄今为止，这些门仅在冷原子设置中进行了演示，而不是热原子，这限制了这些系统的可扩展性。”
在接下来的研究中，戴维森和他的同事还计划进一步开发他们的FLAME存储器，使其能够存储光子量子位(即，两个偏振态的量子叠加态的光子)，而不仅仅是存储一个偏振态的单个光子。这可能最终使他们能够使用光子进行量子计算。
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