通过使用超冷原子云和一对在光波长下工作的激光器，研究人员已经达到了量子网络的里程碑:光与由两种不同状态的相互作用原子组成的光原子相干纠缠。这一进展可能有助于为功能性的多节点量子网络铺平道路。
这项由佐治亚理工学院完成的研究使用了一种新型的光阱，它同时限制了元素铷的基态原子和高激发态(里德伯格)原子。Rydberg原子的尺寸很大，半径约为一微米，而不是通常的亚纳米大小，这赋予了它们夸张的电磁特性，并允许它们彼此强烈地相互作用。
单个里德堡原子可以阻止原子集合中其他里德堡原子的形成，使科学家可以按需制造单个光子。乔治亚理工大学教授Alex Kuzmich和他的合作者在2012年4月的《科学》杂志上发表了一篇关于Rydberg单光子源的报告，并在随后的《自然物理》杂志上首次证明了原子集合的多体Rabi振荡。
在这项新研究中，状态不敏感陷阱使研究人员可以将产生光子的速率提高到先前工作的100倍。
“我们想让光子传播到遥远的地方，这样我们就可以开发可扩展的协议来纠缠越来越多的节点，”库兹米奇说，他是乔治亚理工学院的教授物理学院的．“如果你能在地原子和里德堡原子之间有相干性，它们就能在以合作方式发光的同时强烈地相互作用。强原子相互作用和集体光发射的结合导致了原子和光之间的纠缠。我们认为这种方法对于量子网络是很有前途的。”
这项研究发表在6月19日的《自然》杂志早期版上。该研究得到了空军科学研究办公室原子物理项目和量子记忆多学科大学研究计划(MURI)以及国家科学基金会的支持。
在量子网络中产生、分布和控制纠缠是量子信息科学在世界各地的研究实验室所追求的主要目标。在早期的工作中，单个原子或原子群的基态与自发发射的光纠缠在一起，但这些光子的产生是通过概率方法实现的——这种方法很少产生光子。
这种自发发射过程需要相对较长的时间来产生纠缠，并将潜在的量子网络限制为只有两个节点。为了扩大多模网络的潜力，研究人员探索了其他方法，包括光场和原子在基态量子叠加态和高激发态的里德堡电子态之间的纠缠。后一种方法允许确定性生成光子，从而以更高的速率产生纠缠。
然而，直到现在，当Rydberg原子被限制在光学陷阱中时，还不能被激发到那种状态，所以在这一步中陷阱必须关闭。这使得被限制的原子得以逃脱，阻止了原子光纠缠的实现。
根据威斯康星大学MURI同事的建议，乔治亚理工学院的团队开发了一种解决该问题的方法:一种状态不敏感的光阱，能够连贯地限制基态原子和里德伯格原子。在这个陷阱中，当原子被激发到里德伯格态时，会持续长达80毫秒的时间——研究人员相信，通过额外的改进，这一过程可以得到扩展。然而，即使是目前的原子限制时间也足以运行可能是量子网络的一部分的复杂协议。
库兹米奇说:“我们已经意识到的这个系统比我们以前所能做的更接近于量子网络中的一个节点。”“这无疑是一个有希望的改善。”
库兹米奇实验室的研究生林丽指出，改进系统的关键是在波长为1004和1012纳米的光阱的操作，所谓的“神奇”波长调谐到Rydberg原子和基态原子。
“我们已经通过实验证明，在这样的阱中，量子相干性可以很好地保存几微秒，我们可以限制原子长达80毫秒，”李说。“我们有改善这一点的方法，但在这种状态不敏感陷阱的帮助下，我们已经实现了光和里德伯格激发之间的纠缠。”
库兹米奇说，产生纠缠光子的速度从早期的每秒几个光子提高到新技术的每秒5000光子。这将允许研究人员追求未来的研究目标——比如演示量子门——因为他们优化了他们的技术。
在实验上，研究工作如下:(1)利用波长为1004纳米和1012纳米的激光将超冷铷原子气体限制在一维光学晶格中。原子系综从集体基态被驱动到单一激发态;(2)通过施加激光场，产生纠缠态。利用偏振分束器将提取的光场与相干光场混合，然后在单光子探测器上进行测量;(3)用激光场将剩余的自旋波映射成一个场。
Kuzmich表示，该成功证明了通过空军科学研究办公室支持的MURI进行合作的价值，该办公室在2012年向由七所美国大学组成的联盟提供了850万美元，这些大学正在共同努力，确定基于光和物质之间的相互作用创造量子记忆的最佳方法。
通过MURI，一个大学团队正在考虑三种不同的方法来创建纠缠量子存储器，以促进安全信息的远程传输。这个五年计划的合作者包括威斯康星大学的Mark Saffman和Thad Walker、哈佛大学的Mikhail Lukin和密歇根大学的Luming Duan，他们在本世纪初提出了开创性的建议，为kuzmichigan、Li和同事Yaroslav Dudin创造光和里德堡激发之间的纠缠奠定了基础。
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