基于室温气体中运动平均的可扩展光子网络架构

光子与原子系综之间的量子接口已成为量子技术的有力工具。此类接口的一个主要目标是以高保真度将光子存储并检索于多原子的集体量子态中。这需要长寿命的集体叠加态，通常借助固定原子实现。热原子蒸气作为一种简单且可扩展的资源，迄今仅用于连续变量处理或原子运动可忽略的短时间尺度上的离散变量处理。我们基于运动平均概念发展了一种理论，以实现室温离散变量量子存储器与相干单光子源。我们表明，通过选择相互作用时间，使在自旋保护条件下保持的原子在相互作用期间可数次穿过光束，并结合合适的光谱滤波，我们抹除了“哪个原子”的信息，并获得所有原子与光之间高效且均匀的耦合。由此可产生先驱单激发并存储为集体自旋波，随后可读出以可扩展方式产生相干单光子。我们通过置于光学腔内、具有自旋保护镀层的微池中的室温原子的概念验证实验，证明了该方法用于可扩展量子存储器的可行性。实验在每脉冲数个光子的条件下进行，清晰展示了前向散射光子的长相干时间，此即运动平均的本质特征。