A multiplexed light-matter interface for fibre-based quantum networks
利用光子通过光纤或自由空间链路处理和分发量子信息，对于构建未来的量子网络至关重要。这种网络所需的可扩展性可以通过采用被复用到时间和/或频率中的光子量子态以及能够以大的时间带宽积和多模容量存储和处理这种状态的光物质接口来实现。尽管在开发此类设备方面取得了重要进展，但使用非经典光来演示这些功能仍然具有挑战性。采用低温冷却掺铒光纤中的原子频率梳量子存储协议，我们报道了在通信波长（1.53 μm）处的预言单光子的量子存储，其时间带宽积接近800。此外，我们展示了频率多模存储以及基于记忆的光谱时间光子操纵。值得注意的是，我们的演示依赖于在电信波长下运行的完全集成的量子技术，即用于产生预示单光子的光纤尾纤非线性波导，用于光子存储和操纵的掺铒光纤，以及用于有效单光子检测的光纤接口超导纳米线设备。随着存储效率的提高，我们的光物质接口可能成为未来量子网络的有用工具。
2015-11-26 quant-ph
Direct Observation of Broadband Nonclassical States in a Room-temperature Light-matter Interface
非经典态是量子增强通信、计算和计量学超越经典态的重要资源。可以在高带宽和室温下工作，同时与量子存储器兼容的非经典态是非常需要的，以实现量子技术的可扩展性。在这里，我们提出了一个直接观察的宽带非经典状态在室温下的光-物质界面，在那里的原子也可以被控制存储和干扰光子。利用单个耦合脉冲和远离共振配置，我们能够诱导光和原子之间的多场干涉，通过从七种可能的发射中光谱选择两个相关光子来创建所需的非经典态。我们明确确认的非经典性，通过观察交叉相关高达17和违反柯西-施瓦茨不等式与568个标准差。我们的研究结果表明，可扩展的量子信息网络的状态内置，宽带和室温光物质接口的潜力。
2018-08-08 quant-ph
Quantum Information at the Interface of Light with Atomic Ensembles and Micromechanical Oscillators
本文综述了近年来关于光-物质界面的研究进展。这种接口是长距离量子通信、纠缠辅助传感和测量以及可扩展光子量子计算的重要前提。本文综述了基于法拉第效应的光-物质界面的研究进展。这种相互作用长期以来一直被用作通过光对原子自旋进行量子非破坏检测的工具。最近发现，这种类型的光-物质相互作用实际上可以被调整以实现更一般的动力学，从而使光-物质界面的性能更好，并使渲染任务成为可能，这在以前被认为是不切实际的。这包括实现接近量子Cramer-Rao极限的改进的纠缠辅助和反作用回避磁力学，压缩态光的量子存储器和纠缠的耗散产生。一个单独的，但相关的，实验纠缠辅助冷原子钟显示海森堡标度的精度进行了描述。我们还审查了集体原子自旋与纳米或微机械振荡器之间可能的接口，提供了原子和固态物理方法之间的联系对量子信息处理。
2011-11-03 quant-ph
Noise resilient quantum interface based on QND interaction
我们提出了一个量子接口协议的基础上，两个量子非破坏相互作用（QND）安排在顺序或并行。由于QND耦合在光与宏观原子系综或光与微机械振荡器之间的相互作用中自然产生，因此所提出的界面能够将光的状态转移到这些物质系统上。对于任何量子态，对于任意小的相互作用强度，以及对于任意大的目标系统噪声，转移本身是完美的和确定的。它需要一个全光学的预处理，需要一个比光与物质之间的耦合更强的耦合，以及物质系统的位移前馈校正。我们还提出了一个概率版本的接口，它消除了前馈校正的成本降低成功率的需要。该界面的应用可以在量子存储器的构建中找到，或者在量子传感的状态准备中找到。
2010-02-01 quant-ph
Strict experimental test of macroscopic realism in a light-matter-interfaced system
宏观实在论（Macroscopic realism）是一种经典的世界观，认为宏观系统总是确定地处于两个或两个以上宏观上可区分的状态之一，因此永远不会处于这些状态的叠加。在宏观尺度上观察量子现象的可能性是否存在根本限制的问题仍然不清楚。在这里，我们实现了一个严格而简单的协议来测试宏观现实主义的光物质接口系统。我们用两个宏观上可区分的固态成分创造了一个微观-宏观纠缠，并排除了那些否认两个分离固体中10^10个离子共享多达76个原子激发的相干叠加的理论。这些结果提供了一种利用量子存储技术提高原子叠加态尺寸和在更高层次上推进宏观性的一般方法。
2019-10-24 quant-ph
An integrated processor for photonic quantum states using a broadband light-matter interface
量子光脉冲的忠实存储和相干操纵是实现长距离量子通信和量子计算的关键。将这些功能结合在光-物质界面中，可以与其他光子量子技术（例如纠缠光子源）集成在芯片上，是迈向这些应用的重要一步。到目前为止，只有几个示范的相干脉冲操纵利用光学存储设备兼容的量子态，只有在原子气体介质（使集成困难）和有限的能力。在这里，我们描述了一个宽带波导量子存储器的基础上原子频率梳（AFC）协议可以被用作一个可编程处理器，基本上任意的光谱和时间操纵的个人量子光脉冲。利用弱相干光脉冲在几个光子的水平，我们的实验演示了排序，时间到频率复用和解复用，分裂，干涉，时间和光谱滤波，压缩和拉伸以及选择性延迟。我们的集成光-物质接口提供了高速率、鲁棒且易于配置的量子光脉冲操作，使完全实用的光量子器件更接近现实。此外，由于AFC协议适合于存储强光脉冲，我们的处理器也可以在经典通信中找到应用。
2014-04-24 quant-ph
Generating multi-atom entangled W states via light-matter interface based fusion mechanism
W态是量子通信中的关键资源。在线性光学系统中，聚变技术已被证明是从两个或多个小尺寸W态制备大尺寸W态的一个很好的选择。研究如何通过光-物质界面实现W态的熔合具有重要意义。在这里，我们表明，它是可能的，以制备大尺寸的W态网络在腔QED系统中使用的融合机制。三个原子与真空腔模的失谐相互作用构成了主要的熔合机制，在此基础上，两个或三个小尺寸的W原子态可以熔合成一个大尺寸的W原子态。如果没有从这三个原子中检测到激发，则剩余的原子仍然处于两个或三个新的W态的产物中，其可以重新融合。避免了以往融合方案中复杂的Fredkin门。大小为2的W态也可以被熔合。可行性分析表明，我们的融合过程可能与现有的技术实现。我们的结果表明了基于光-物质相互作用的融合机制是如何实现的，并可能成为腔QED系统中多体纠缠融合的起点。
2016-02-16 quant-ph
A solid state light-matter interface at the single photon level
量子信息在光与物质之间的相干可逆映射是量子信息科学中的一个重要实验挑战。特别是，它是实现量子网络和量子中继器的决定性里程碑。到目前为止，光和原子之间的量子界面已经用原子气体和腔中单个被困原子来证明。在这里，我们展示了一个光场的相干和可逆的映射，每个脉冲不到一个光子到一个自然被困在固体中的1000万个原子的系综。这通过在适当制备的固态原子介质中相干吸收光场来实现。光的状态被映射到集体原子激发上的光学跃迁和存储的预编程的时间高达1 μ s之前，被释放在一个定义良好的时空模式作为一个集体干涉的结果。通过对两个相位关系可变的存储弱脉冲进行干涉实验，验证了该过程的相干性。获得了大于95%的亮度，这表明在单光子水平上的映射过程的高相干性。此外，我们的实验表明，我们的接口允许一个存储和检索光场在多个时间模式。我们的研究结果代表了在固体中的单光子水平上的集体增强的首次观察，并开辟了多模固态量子存储器作为原子气体的有前途的替代品的道路。
2008-10-03 quant-ph
Three-dimensional light-matter interface for collective spin squeezing in atomic ensembles
我们研究了冷原子自旋系综与傍轴激光束之间的量子界面的三维性质，通过色散相互作用耦合。为了实现集体原子自旋和光子之间的强纠缠，必须将系综的集体辐射的空间模式与激光束的模式相匹配，同时最小化由于光泵浦引起的退相干效应。对于耦合到在云的范围内变化的探测场的系综，不可阻挡地辐射到场的期望模式中的原子集定义了非均匀的自旋波。自旋波与探测模的强耦合不是由单个参数光密度表征的，而是由表征系统相干性和退相干性的不同有效原子数的集合表征的。为了模拟系统的动力学，我们开发了一个完整的随机主方程，包括相干集体散射到傍轴模式，退相干局部非均匀漫散射，和由于连续测量的光纠缠的自旋波的反作用。利用连续量子非破坏（QND）测量研究了自旋波的压缩。我们发现，最大的压缩发生在参数制度的空间不均匀性是显着的，远离的限制，其中的接口是很好地近似的一维，均匀的模型。
2013-12-17 quant-ph
Universal approach for quantum interfaces with atomic arrays
我们开发了一个通用的方法来表征原子阵列平台作为光物质接口，专注于它们在量子存储和光子纠缠产生中的应用。我们的方法是基于原子阵列问题的映射到一个通用的1D模型的光与集体偶极子相互作用。我们发现，光-物质耦合的效率，这反过来又决定了量子存储和纠缠，是由一维散射问题，$r_0=C/(1+C)$，其中$C$是模型的协同参数的共振反射率。对于自由空间中的二维和三维原子阵列，我们推导出映射参数$C$，因此$r_0$，同时考虑到现实的影响，如有限的尺寸的阵列和照明光束和弱无序的原子位置。我们的分析结果进行了数值验证，并揭示了一个关键的想法：量子任务的效率降低了我们的方法的经典计算的反射率。这提供了一个统一的框架，在各种相关的平台，如光晶格和镊子阵列的集体光-物质耦合的分析。讨论了数组以外的集体系统的推广。
2023-02-09 quant-ph
An efficient quantum light-matter interface with sub-second lifetime
量子中继器有望实现可扩展的长距离量子通信。第一个基于存储-光子纠缠的量子中继器在提高构建模块的性能方面取得了重大进展。由于难以将长存储时间和高存储效率等关键功能集成到单个系统中，进一步的开发受到阻碍。利用三维光晶格约束激光冷却的原子，并利用环形腔增强原子与光子的耦合，实现了亚秒级寿命的高效光-物质界面。同时获得了76（5）%的初始提取效率和0.22（1）s的1/e寿命，并通过量子中继器实现了1000 km的亚赫兹纠缠分发。再加上高效的电信接口和适度的多路复用，我们的研究结果可能会在不久的将来实现第一个量子中继器系统，击败直接传输。
2015-11-02 physics.optics quant-ph
Non-symmetric quantum interfaces with bilayer atomic arrays
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
研究双层原子阵列在自由空间中的量子光-物质接口，考虑层间间距偏离布拉格对称条件，通过映射到一维模型，展示接口效率由反射和透射散射可观测量决定，揭示超越布拉格对称优化光-物质耦合的新机会。
2026-04-15 quant-ph
Hybrid Quasi-Bound State in the Continuum at Topological Quantum Optics Interface
该研究在拓扑量子光学界面发现由光-物质相互作用诱导的新型混合连续域准束缚态，揭示其与光放大的时间反演关系，可实现定向超窄放大器，为量子器件应用提供新途径。
2025-07-31 quant-ph
Quantum Noise for Faraday Light Matter Interfaces
在基于法拉第效应的光物质界面中，已经成功地实现了许多量子信息协议。为了进一步提高这些协议中实现的性能和准确性，需要获得对相关噪声和退相干过程的更深入理解。本文首次对自发发射的退相干现象进行了完整的描述。我们从第一性原理导出光子自发发射到不可观测模式的效应。我们的研究结果涉及集体原子自旋和前向传播光模式的完整的原子能级结构的有效运动方程中产生的衰变和噪声项。我们说明并应用我们的结果的情况下，量子存储器协议。我们的结果可以应用于任何合适的原子种类，本文中采取的一般方法可以应用于基于不同机制的光物质界面和量子存储器。
2012-06-19 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Hamiltonian Benchmark of a Solid-State Spin-Photon Interface for Computation
National University of Singapore（新加坡国立大学）；Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore（新加坡国立大学量子技术中心）；MajuLab, CNRS-UCA-SU-NUS-NTU International Joint Research Laboratory（CNRS-UCA-SU-NUS-NTU国际联合实验室 MajuLab）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies（纳米科学和纳米技术研究中心）；Université Paris Cité（巴黎西岱大学）；Université de Lorraine（洛林大学）；LPCT（理论物理化学实验室）
该研究通过精确计算固态自旋-光子接口的哈密顿量，评估了三个关键量子协议的性能极限，揭示了不同协议对现实不完美的敏感性差异。
2026-07-24 quant-ph
Focusing characteristics of a 4$π$ parabolic mirror light-matter interface
使用4 $π$抛物柱面镜聚焦允许从几乎完整的立体角聚集光，而使用单个显微镜物镜聚焦将用于聚焦的锥角限制为最大半立体角。通过使用深抛物柱面镜来增加立体角的代价是增加了反射镜制造过程的复杂性，并且可能引入降低聚焦质量的误差。为了确定这些误差，我们实验研究的4 $π$抛物柱面镜，是由单点金刚石车削的聚焦特性。该特性的特征在于与一个单一的$^{174}$ Yb $^{+}$离子作为移动点散射体。离子被捕获在具有可移动的高光学访问保罗阱的真空环境中。我们证明了一个有效的焦斑尺寸为209 nm的横向和551 nm的轴向方向。这种紧密的聚焦使我们能够建立一个有效的光-物质界面。我们的研究结果与数值模拟相一致，该数值模拟结合了有限离子温度和干涉测量的由抛物柱面镜引起的波前像差。我们指出在进一步的技术改进和讨论的一般范围的应用程序的4 $π$抛物柱面镜。
2017-02-28 physics.optics quant-ph
A continuous-variable formalism for the Faraday atom-light interface
最近应用于操纵二分和多分纠缠的偏振原子系综和相干态光之间的量子接口，通过连续变量的形式主义重新审视。连续变量形式主义的明确使用大大方便了不同模式之间的纠缠的分析，减少它的最终协方差矩阵，可以找到分析的性质的研究。此外，它允许研究混合态的物质-光界面，使形式主义适应于初始准备的高斯态受到一定量噪声影响的实验情况。一个多体的情况下，导致宏观集群状态的产生，并在此形式主义的详细分析。
2011-06-25 quant-ph
A Quantum Optomechanical Interface Beyond the Resolved Sideband Limit
对辐射压力作出响应的机械振荡器是在光与物质之间传递量子信息的一种很有前途的手段。光学-机械状态交换是这种设置中的关键操作。现有的光机械状态交换接口的建议是有效的，只有在解决边带限制。在这里，我们表明，它是可能的，完全和确定性地交换机械和光学状态以外的限制，在常见的情况下，腔线宽大于机械共振频率。这种高带宽的接口打开了一个显着更大的区域的光机械参数空间，允许生成非经典的运动状态的高品质，低频率的机械振荡器。
2016-03-22 quant-ph
Nanophotonic coherent light-matter interfaces based on rare-earth-doped crystals
量子光物质接口（QLMIs）将静态量子比特连接到光子，将使光网络能够用于量子通信，精确的全球时间保持，光子开关和基础物理学研究。稀土离子掺杂晶体是光量子存储器和光子、微波光子和自旋波之间的量子转换器的最新材料。在这里，我们展示了耦合的钕稀土元素的合奏光子纳米腔中制造的钇正硅酸盐主晶体。在高相干的4 I_（9/2）-4F_（3/2）光跃迁中观察到了包括Purcell增强（F=42）和偶极诱导透明的腔量子电动力学效应。由于原子密度的统计精细结构的腔传输的波动进行测量，表示在量子水平上的操作。腔耦合REI的相干光学控制通过光子回波来执行。长的光学相干时间（T2~100微秒）和小的非均匀加宽测量的腔耦合REI，从而证明了它们的潜力，在芯片上可扩展的QLMIs。
2015-07-03 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Macroscopicity in an optomechanical matter-wave interferometer
我们分析了一个建议，我们最近提出了一个接口之间的物质波和光机技术的宏观量子的角度来看。特别是，通过利用量子叠加，特别是非常适合于连续变量系统的宏观措施，我们证明了存在的工作点，我们的接口，在那里实现了真正的介观态的量子力学叠加。因此，我们的建议有可能肯定自己作为一个可行的原子到力学的量子相干性换能器。
2015-01-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dynamics of defects and interfaces for interacting quantum hard disks
University of Augsburg（奥格斯堡大学）；Centre for Advanced Analytics and Predictive Sciences (CAAPS), University of Augsburg（奥格斯堡大学高级分析与预测科学中心）
研究量子硬盘问题中缺陷和界面的稳定性，发现其在短程软芯相互作用下仍保持稳定，揭示量子动力学的鲁棒性。
2026-03-18 cond-mat.stat-mech quant-ph
Roughening dynamics of interfaces in the two-dimensional quantum Ising model
本文利用大规模树张量网络模拟，在二维量子伊辛模型铁磁相中识别出界面粗糙化转变的动力学特征，发现光滑界面呈现扩展预热平台而粗糙化转变之上畴壁快速衰减，并指出结果可在里德伯原子系统中实验验证。
2025-05-21 cond-mat.stat-mech quant-ph
Towards a deterministic interface between trapped-ion qubits and travelling photons
给出了基于物质的量子比特和光子量子比特之间的量子界面的效率极限的实验结果。在光腔中使用一个囚禁离子，我们在腔输出端获得了一个离子纠缠光子，几率为0.69（3）。我们的系统的性能示出饱和的上限光子收集概率从一个量子发射器在一个腔中，设置由发射器的电子结构和腔参数。产生和检测离子纠缠光纤耦合光子的概率为0.462（3），比之前的最佳性能提高了5倍。最后，生成和检测多达15个连续的极化光子证明了被捕获的离子作为多光子源的能力。测量的概率和预测的界限之间的比较是相关的量子发射器以外的被困离子，特别是，未来的系统优化光子收集的设计，并在量子物质的吸收。
2021-05-06 physics.atom-ph quant-ph
Hybrid metal-dielectric nanocavity for enhanced light-matter interactions
尽管腔量子电动力学（CQED）的基本原理和应用取得了巨大的进展，但该领域的研究主要限于由纯电介质材料组成的光学腔。在这里，我们展示了一种混合金属-电介质纳米腔的设计，并实现它在InAs/GaAs量子光子学平台，利用角旋转金属蒸发。我们的纳米光-物质界面的主要特征包括：（i）与领先的光子晶体CQED系统相比，模体积减少了一个数量级;（ii）表面发射纳米级圆柱形几何形状，因此具有良好的收集效率;最后（iii）单光子的强宽带自发发射率增强（Purcell因子~ 8）。这种光-物质界面可能在量子技术中发挥重要作用。
2017-01-13 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
A tunable chiral light-matter interface with on-chip spin control
University of Copenhagen（哥本哈根大学）；Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）；Sparrow Quantum（Sparrow量子）
本研究在光子晶体波导中实现可调谐手性光-物质耦合，通过磁场控制实现近完美定向发射和自旋操控，并提出高容错远程纠缠协议。
2026-09-09 physics.optics quant-ph
A quantum interface between light and nuclear spins in quantum dots
飞行的光子量子比特与静止的基于物质的量子比特的相干耦合是量子通信网络的重要组成部分。我们展示了如何在行波光场和极化核自旋之间实现这样一个量子界面，该界面位于强耦合到高精细光学腔的单电荷量子点中。通过消除电子，实现了直接有效的耦合。根据所施加的激光场，获得能够写入或读出的相互作用。
2010-01-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Chiral quantum optics in broken-symmetry and topological photonic crystal waveguides
片上手性量子光-物质界面支持定向相互作用，为高效自旋光子耦合、非互易光子元件和量子逻辑架构提供了一个有前途的平台。我们提出了全波三维计算，以量化的性能，传统的和拓扑光子晶体波导作为手征发射极光子接口。具体而言，这些结构的能力，以支持和增强定向相互作用，同时抑制随后的后向散射损失进行量化。破缺对称波导，如非拓扑滑动平面波导和拓扑有胡子的接口波导被发现作为有效的手征接口，与拓扑波导模式允许在显着更高的Purcell增强因子的操作。最后，虽然所有的结构遭受背散射损失，由于制造的缺陷，这些被发现是在拓扑波导的高增强因子较小。这些降低的损耗发生是因为光模被推离发生散射的空气-电介质界面，而不是因为任何拓扑保护。这些结果对于理解拓扑光子晶体中的光-物质相互作用以及设计高效的片上手性量子器件具有重要意义。
2021-11-04 physics.optics quant-ph
Quantum interface between light and a one-dimensional atomic system
我们研究了信号光子脉冲与一维原子链之间的量子界面的最佳条件。被测物体被物理设计为三脚架型原子的原子阵列，该原子阵列被限制在纳米级电介质波导中并经历其基本HE11模式。相互作用的效率主要受到波导倏逝场与被囚禁原子的重叠和耦合的限制。我们验证了这些物理条件时，耦合内的主要散射通道将足以进一步提供各种基本的接口协议，如光存储，光物质纠缠，准备一些光子状态的需求，等。
2020-04-14 physics.atom-ph quant-ph
A coherent spin-photon interface with waveguide induced cycling transitions
固态量子点是连接内部自旋自由度与发射光子状态的有效光-物质界面的有希望的候选者。然而，选择规则阻止了在该平台中有效的自旋控制和光学循环性的组合。通过利用光子晶体波导，我们在这里实验证明了光学循环高达$\approx15$通过光子态工程，同时实现高保真自旋初始化和相干光自旋控制。这些能力为可扩展的多光子纠缠产生和片上自旋光子门铺平了道路。
2020-06-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Charge-Noise Insensitive Chiral Photonic Interface for Waveguide Circuit QED
手征光子界面是一个量子系统，它具有向左和向右发射光子的不同概率。片上兼容的手性界面在光-物质相互作用的基础研究和量子信息处理的应用中都具有重要的意义。我们提出了这样一种基于超导电路的手征界面，它具有宽带宽、丰富的可调谐性和对制造变化的高容忍度。拟议的接口包括一个核心，使用库珀对盒（CPB）打破时间反演对称性，和两个超导transmons连接核心的方式让人想起一个巨大的原子波导。"transmons形成了一种与核心解耦的状态，类似于原子物理学的暗态，使整个界面对CPB电荷噪声不敏感。所提出的接口可以扩展到实现一个宽带全无源片上微波光子环行器。
2021-12-01 cond-mat.supr-con quant-ph
