31、量子光学实验：从量子存储到退相干观测

量子光学实验：从量子存储到退相干观测

1. 量子光学与量子信息处理概述

量子光学领域中，对简单量子系统在可控环境下的操控是一个活跃的研究方向，它与量子信息理论紧密相连。原子和光子可被视为“量子比特”（qubits）的载体，以非经典方式存储和处理信息。两个量子比特载体之间的相互作用能够模拟量子门的操作，其中一个量子比特的演化取决于另一个的状态。将几个量子比特和量子门组合起来，有望实现简单的量子网络，达成相互作用的量子比特载体之间的“工程纠缠”。

目前，有多种量子光学系统正在被研究，包括囚禁离子、光子对组合以及腔中的原子等。在腔量子电动力学（QED）实验中，原子逐个穿过高Q值的腔，量子比特可以由原子（简化为二能级系统）或腔中的量子场（处于0和1光子态的叠加）携带。原子与腔场模式之间的相互作用为量子门的操作提供了所需的条件动力学。

2. 腔QED实验中的量子存储实现

为了实现量子逻辑，信息需要在量子比特载体之间转移，并在门操作之间得以保存，这就需要一个量子存储器。在本次腔QED实验中，成功实现了量子存储器。具体过程是将一个量子比特从原子载体转移到场载体，再转移到另一个原子。初始原子可以处于其两个能量本征态之一，或者是它们的叠加态。中介场可以制备成0或1光子数态（福克态），或者是这两种态的叠加，这些都是高度非经典的辐射态。

2.1 实验原理

量子信息转移的原理基于原子在腔真空|0⟩中，以频率Ω/2π在两个能量本征态e和g之间的拉比进动。如果原子初始处于上能级e，且有效的原子 - 腔共振相互作用时间t满足Ωt = π，那么组合系统将从|e,0⟩态演化为|g,1⟩态，即原子的激发被转移到了场中。如果原子初始处于能级g，系统则