A phase transition from a classical thermal mixed state to a quantum-mechanical pure state of exciton polaritons is observed in a GaAs multiple quantum-well microcavity from the decrease of the second-order coherence function. Supporting evidence is obtained from the observation of a nonlinear threshold behavior in the pump-intensity dependence of the emission, a polariton-like dispersion relation above threshold, and a decrease of the relaxation time into the lower polariton state. The condensation of microcavity exciton polaritons is confirmed.

A protocol where entanglement between two atomic ensembles is created by coherent mapping of an entangled state of light, effectively separating the generation of entanglement and its storage, is reported. Developments in quantum information science1 rely critically on entanglement—a fundamental aspect of quantum mechanics that causes parts of a composite system to show correlations stronger than can be explained classically2. In particular, scalable quantum networks require the capability to create, store and distribute entanglement among distant matter nodes by means of photonic channels3. Atomic ensembles can play the role of such nodes4. So far, in the photon-counting regime, heralded entanglement between atomic ensembles has been successfully demonstrated through probabilistic protocols5,6. But an inherent drawback of this approach is the compromise between the amount of entanglement and its preparation probability, leading to intrinsically low count rates for high entanglement. Here we report a protocol where entanglement between two atomic ensembles is created by coherent mapping of an entangled state of light. By splitting a single photon7,8,9 and performing subsequent state transfer, we separate the generation of entanglement and its storage10. After a programmable delay, the stored entanglement is mapped back into photonic modes with overall efficiency of 17%. Together with improvements in single-photon sources11, our protocol will allow ‘on-demand’ entanglement of atomic ensembles, a powerful resource for quantum information science.

Nearly one decade after the first observation of Bose–Einstein condensation in atom vapors and realization of matter-wave (atom) lasers, similar concepts have been demonstrated recently for polaritons: half-matter, half-light quasiparticles in semiconductor microcavities. The half-light nature of polaritons makes polariton lasers promising as a new source of coherent and nonclassical light with extremely low threshold energy. The half-matter nature makes polariton lasers a unique test bed for many-body theories and cavity quantum electrodynamics. In this article, we present a series of experimental studies of a polariton laser, exploring its properties as a relatively dense degenerate Bose gas and comparing it to a photon laser achieved in the same structure. The polaritons have an effective mass that is twice the cavity photon effective mass, yet seven orders of magnitude less than the hydrogen atom mass; hence, they can potentially condense at temperatures seven orders of magnitude higher than those required for atom Bose–Einstein condensations. Accompanying the phase transition, a polariton laser emits coherent light but at a threshold carrier density two orders of magnitude lower than that needed for a normal photon laser in a same structure. It also is shown that, beyond threshold, the polariton population splits to a thermal equilibrium Bose–Einstein distribution at in-plane wave number k ∥ > 0 and a nonequilibrium condensate at k ∥ > 0, with a chemical potential approaching to zero. The spatial distributions and polarization characteristics of polaritons also are discussed as unique signatures of a polariton laser.

We demonstrate entanglement distribution between two remote quantum nodes located 3 meters apart. This distribution involves the asynchronous preparation of two pairs of atomic memories and the coherent mapping of stored atomic states into light fields in an effective state of near maximum polarization entanglement. Entanglement is verified by way of the measured violation of a Bell inequality, and can be used for communication protocols such as quantum cryptography. The demonstrated quantum nodes and channels can be used as segments of a quantum repeater, providing an essential tool for robust long-distance quantum communication.

Heralded entanglement between collective excitations in two atomic ensembles is probabilistically generated, stored, and converted to single-photon fields. By way of the concurrence, quantitative characterizations are reported for the scaling behavior of entanglement with excitation probability and for the temporal dynamics of various correlations resulting in the decay of entanglement. A lower bound of the concurrence for the collective atomic state of 0.9+/-0.3 is inferred. The decay of entanglement as a function of storage time is also observed, and related to the local dynamics.

Topological quantum computation based on anyons is a promising approach to achieve fault-tolerant quantum computing. The Majorana zero modes in the Kitaev chain are an example of non-Abelian anyons where braiding operations can be used to perform quantum gates. Here we perform a quantum simulation of topological quantum computing, by teleporting a qubit encoded in the Majorana zero modes of a Kitaev chain. The quantum simulation is performed by mapping the Kitaev chain to its equivalent spin version, and realizing the ground states in a superconducting quantum processor. The teleportation transfers the quantum state encoded in the spin-mapped version of the Majorana zero mode states between two Kitaev chains. The teleportation circuit is realized using only braiding operations, and can be achieved despite being restricted to Clifford gates for the Ising anyons. The Majorana encoding is a quantum error detecting code for phase flip errors, which is used to improve the average fidelity of the teleportation for six distinct states from $70.76 \pm 0.35 \% $ to $84.60 \pm 0.11 \%$, well beyond the classical bound in either case.

Atomically-thin semiconductors host strongly-correlated states due to the reduced Coulombic screening. Using double-quantum coherent spectroscopy, we observe interacting doubly-excited exciton states in monolayer MoSe 2 . Electrostatically injected electrons are observed to screen long-range interactions.

Abstract Floquet engineering is a promising tool to manipulate quantum systems coherently. A well-known example is the optical Stark effect, which has been used for optical trapping of atoms and breaking time-reversal symmetry in solids. However, as a coherent nonlinear optical effect, Floquet engineering typically requires high field intensities obtained in ultrafast pulses, severely limiting its use. Here, we demonstrate using cavity engineering of the vacuum modes to achieve orders-of-magnitude enhancement of the effective Floquet field, enabling Floquet effects at an extremely low fluence of 450 photons/ μ m 2 . At higher fluences, the cavity-enhanced Floquet effects lead to 50 meV spin and valley splitting of WSe 2 excitons, corresponding to an enormous time-reversal breaking, non-Maxwellian magnetic field of over 200 T. Utilizing such an optically controlled effective magnetic field, we demonstrate an ultrafast, picojoule chirality XOR gate. These results suggest that cavity-enhanced Floquet engineering may enable the creation of steady-state or quasi-equilibrium Floquet bands, strongly non-perturbative modifications of materials beyond the reach of other means, and application of Floquet engineering to a wide range of materials and applications.