Waveguide-array-based multiplexed photonic interface for atom array

技术摘要：用于原子阵列的波导阵列式多路复用光子接口

问题陈述
实现大规模分布式量子计算（DQC）和量子网络需要能够在众多量子处理单元（QPU）之间进行高效的纠缠分发。虽然中性原子阵列和离子阱由于其高保真度门操作和光学跃迁特性，是极具前景的通信节点候选方案，但目前的实现方式面临扩展性限制。光子纠缠生成本质上是概率性的，受限于光子收集效率和传输损耗。尽管已经探索了时间复用技术，但其本质上受到通信延迟的限制。空间复用——即同时将来自多个静态量子比特的光子引导至不同的光子通道——是提高扩展性的必要步骤。然而，如何在密集的原子阵列与光子通道之间实现高效率、低串扰的耦合，仍然是一个重大的技术挑战。以往使用微光学技术（例如透镜纤维阵列）的演示仅实现了有限的模式数量（4–5 个模式）。

方法论
作者提出了一种基于玻璃基光子集成电路（PIC）的光子接口，用于将光子从中性原子阵列引导至单模波导。

• 实验设置： 该系统利用通过空间光调制器（SLM）控制的 852 nm 全息光镊生成的 1 维 $^{87}\text{Rb}$ 原子阵列，原子间距为 7.5 µm。
• 光子接口： 一个制造在玻璃基 PIC 上的 32 通道波导阵列作为接口。波导具有 25 µm 的节距和 $3.1 \times 2.1$ µm 的模场直径（MFD）。该阵列通过一个转换器耦合到标准的 127 µm 节距光纤阵列。
• 光学系统： 一个放大倍率为 3.33 的双 4-f 成像系统将 7.5 µm 的原子间距映射到 25 µm 的波导节距。使用了高数值孔径（NA = 0.7）的收集光学元件。短通滤波器将 780 nm 原子荧光与 852 nm 俘获光分离。
• 优化： 作者采用了加权 Gerchberg–Saxton (WGS) 算法来扫描光镊位置，通过优化原子与波导模式的对准，以最大化光子计数并最小化串扰。
• 纠缠生成： 原子被初始化在 $F=1, m_F=0$ 态。激发脉冲诱导沿量化轴的 $F'=0$ 到 $F=1$ 跃迁产生自发辐射，从而产生原子-光子纠缠。发射的光子被路由至波导阵列，并由超导纳米线单光子探测器（SNSPD）检测。

核心贡献

1. 高密度多路复用接口： 该工作展示了一个可扩展的接口，能够将来自 10 个不同原子位点的光子引导至 32 通道波导阵列中的 10 个特定通道。与之前的基于纤维或微光学的方法相比，这显著提升了多路复用能力。
2. 模式匹配优化： 作者通过扫描原子位置成功优化了耦合效率，在 xy 平面内实现了约 1 µm 的半高全宽（FWHM），在 z 轴方向约为 4 µm。
3. 串扰表征： 系统经过表征显示出极低的通道间串扰。非目标原子与目标原子之间的光子检测事件比例经测量低于 -20 dB，与背景噪声水平相当。
4. 纠缠验证： 作者通过测量原子 Zeeman 子能级与光子偏振态之间的相关性，验证了原子-光子纠缠的生成。

结果

• 耦合效率： 原子到波导的净耦合效率（$\eta_{net}$）在 10 个通道中估计在 0.3% 到 1.2% 之间。这一性能与之前的基于纤维的实验相当。
• 串扰： 归一化光子检测比 $P(p_i|\bar{a}_i \& a_j)/P(p_i|a_i)$（其中 $j \neq i$）在 $10^{-3}$ 到 $10^{-2}$ 之间，证实了来自一个原子位点的光子不会显著泄漏到相邻波导中。
• 可见度： 在圆偏振基底中，原子状态（$|m_F = \pm 1\rangle$）与光子偏振之间的相关性测得可见度为 0.87。在直线偏振基底中，正如预期，在 $|m_F = -1\rangle$ 态与测量结果之间未观察到相关性。
• 纯度： 当原子状态被投影时，水平探测器的光子偏振纯度测量为 0.89，垂直探测器为 0.85。

意义与主张
论文声称，这种基于波导阵列的光子接口是构建量子网络的重要基石。通过实现从多个原子同时收集光子到不同通道，该系统解决了分布式量子计算中的扩展性瓶颈。

• 可扩展性： 作者认为，虽然目前的 7.5 µm 原子间距大于典型的里德堡门操作范围，但它与系综中的里德堡封锁观测相兼容，并且可以通过集成腔体来进一步缩小。
• 网络潜力： 该系统被呈现为生成大规模多路复用原子-光子纠缠的可行方案。作者估计，对于短距离应用，使用 100 个模式的空间复用可以在 2 ms 内分发 40 个 Bell 对；且对于长距离通信（如 55 km），空间复用仍具有优势，因为时间复用受限于延迟。
• 未来展望： 作者建议，通过校正光学像差并集成微透镜腔阵列，可以将收集效率提高一个数量级，从而进一步增强容错分布式量子计算的可行性。