中國科大郭光燦院士團隊在中性原子量子信息研究領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、王健研究組利用光纖微腔與中性原子的普塞爾(Purcell)區域耦合，實現了超快高保真度的原子態讀出，其速度和保真度均創造公開報道最高紀錄。該成果以“Ultrafast High-Fidelity State Readout of Single Neutral Atom”為題于6月20日發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上，并入選編輯推薦論文(Editor's suggestion)，同時美國物理學會Physics網站以“Enhanced Light Emission Improves Atom Readout”為題對該工作進行報道，稱贊本工作“have demonstrated a readout technique that achieves unprecedented speed and accuracy. The approach’s key innovation is a technique for boosting the atom’s rate of photon emission”。
中性原子因出色的可擴展性、成熟的門操作和光學波段接口，成為極具潛力的量子通信與量子計算平臺。然而，態讀出和態制備消耗了中性原子量子計算與量子網絡協議的大多數時間，因此提升讀出速度與保真度對降低時間與物理資源消耗至關重要。由于受限于淺勢阱深度、低光子散射率及探測效率，自由空間原子的態讀取時長最短為百微秒量級。即使已有研究利用強耦合光學腔提高光子收集效率，原子態的讀出仍需要至少幾個微秒。
針對這個問題，研究組利用工作在普塞爾區域的光纖微腔-中性原子腔量子電動力學系統，在提高光子收集效率的同時，極大增強了原子的光子輻射速率。該系統的協同因子達到了4.7，原子的自發輻射速率提升了約10倍，展現出作為高性能中性原子-光子量子接口和量子網絡節點的潛能。此前，研究組利用這一特點，在同類系統上首次觀測到原子共振熒光中的雙光子糾纏[Phys. Rev. Lett. 134, 053401 (2025)]。
在此基礎上，研究組利用對閉循環躍遷的強共振驅動，結合低動量轉移的激發策略，將腔內讀出光子的探測計數率提升至18M/s。憑借極高的熒光亮度，他們在200納秒的時間窗口內實現了保真度99.1(2)%的原子態讀出，并在9微秒的時間窗口內把保真度提升到了99.985(8)%，兩項指標均創造公開報道最高紀錄。同時，在態讀出過程中丟失原子的概率始終低于3‰，展現了無損探測的特性，可兼容需要“線路中測量”(mid-circuit measurement)的量子糾錯協議。該超快高保真讀出技術首次使原子態讀出速度超越光泵浦態制備速度，通過采用實時決定的方法，研究組還將原子態制備時間較傳統光泵浦方法縮短4倍。因此，這一工作為理解多技術協同機制、優化量子協議性能等提供了新思路。
該成果實現了超快高保真度的原子態讀出，對于降低量子計算中的時間和物理資源消耗，以及實現長程可擴展量子網絡具有重要意義。審稿人對該工作給予高度評價：“The importance of this work lies in the achievement of impressively high state readout speed and fidelity, as this is an advance for quantum networking with neutral atoms.... timely and likely to spark excitement within the quantum information science community(本研究的重要意義在于實現了極高的態讀出速度與保真度，這標志著中性原子量子網絡研究的重要突破……該成果不僅恰逢其時，更有望在量子信息科學領域引發廣泛關注)”，“The novelty here lies in the record time windows within which the authors are able to read out the atomic state with high fidelity.... The result offers two applications that are potentially quite significant for neutral-atom-based quantum technologies and will be of broad interest(本研究的創新性在于實現了創紀錄的時間窗口，研究者可在此時間范圍內以高保真度讀取原子態……該成果不僅為中性原子量子技術提供了兩個極具潛力的應用方向，更將引發該領域的廣泛關注)”。
量子網絡實驗室特任副研究員王健和博士研究生黃冬郁為論文的共同第一作者。該工作得到了合肥國家實驗室、國家自然科學基金委以及中國科學技術大學的支持。
圖1：實驗系統示意圖
