囚禁离子与光子量子态转移的实验研究

Quantum state transfer between flying photons and stationary quantum nodes is critical for building quantum network, it's one of the pivotal frontiers in quantum information research. This project will take a trapped ion as the stationary qubit, combing a Fiber Fabry–Perot Cavity (FFPC), to do experiment research on quantum state transfer with cavity QED theory. In the project, an ion trap integrated with a well controlled FFPC is planned to be built, it will trap a single Yb+ ion in the middle of FFPC, which improving the interaction between light and matter. Basic phenomena such as Purcell effect, vacuum-stimulated Raman transitions with cavity will be performed. By investigating quantum state dynamics of the system, schemes fitting for quantum state transfer will be explored. Finally, we will demonstrated quantum state transfer between single trapped ion and single photon with high efficiency and high fidelity. The project is helpful for us to well know the interaction between light and matter, and will also provide a basic interface for building quantum network.

实现飞行光子与静态量子节点之间量子态的相互转移，对构建量子网络具有重要意义，是目前量子信息领域的热点前沿课题之一。本项目拟采用离子阱中囚禁离子作为静止量子比特载体，在光纤Fabry–Perot微型谐振腔（FFPC）辅助下，采用腔量子电动力学的方法，进行光子与量子节点之间量子态转移的实验研究。项目计划搭建一套与FFPC集成的离子阱装置，将单个Yb+离子囚禁于腔模可控的FFPC中，利用微腔增强光子与离子能级的相互作用；通过研究Purcell荧光增强、腔辅助的真空Raman跃迁等基本现象，深入理解量子态动力学演化现象和机制；进一步探索适用于量子态转移的方案，最终有望高效、高保真度地实现单离子与单光子量子态的相互转移。本项目将加深人们对光与物质相互作用规律的认识，为下一步构建量子网络奠定基础。

实现光子与量子节点之间交互界面是构建量子网络的基础。本项目在光子和囚禁离子系统上开展研究，尝试构建光子态与离子态的交互和转移。.首先，光纤Fabry-Perot光学微腔(FFPC)易与原子（或者离子）系统实现强耦合，是实现光子与量子节点交互界面的理想工具。我们研制了一套光纤端面激光加工装置，制备了高品质因子的FFPC。FFPC的腔长可以控制到150微米以上，并且腔膜与光纤模式耦合效率大于20%；在紫外波段细度超过1000（Q值大于10^6），红外波段细度超过10000（Q值大于10^7）。提出并研制了偏振非简并FFPC，其偏振模式劈裂可以达到GHz量级，并且可以调节匹配原子超精细能级，为实现偏振光子与原子超精细能级量子比特的量子态转移提供了新方法。.其次，搭建了两套离子阱装置，实现了单离子的囚禁、冷却和量子比特操作；在单个离子阱中实现了量子Kibble-Zurek机制的模拟；在两个离子阱中验证了量子上下文与量子计算资源的关系。.此外，提出了利用双光学谐振腔获得双波长纠缠光子对方案，实现了窄线宽非简并纠缠光源。纠缠源的工作波长可以设定在Yb离子波长935nm和稀土掺杂固态存储器Nd离子波长880nm，纠缠保真度达89.6%，CHSH不等式违背值达2.36±0.03，为下一步构建离子阱与固态存储器量子互联提供了支持。