華中科技大學實現(xiàn)了基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器

近日，《自然·光子學》（Nature Photonics）雜志在線發(fā)表了華中科技大學物理學院引力中心李霖教授課題組的重要研究成果。該研究在國際上首次實現(xiàn)了基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器，可用于保護量子糾纏態(tài)，并確定性地濾除噪聲光子態(tài)。課題組利用該過濾器，從極低保真度的輸入態(tài)中提取出了近乎完美的量子糾纏。這一成果有望應(yīng)用于分布式量子信息處理、多光子量子光學等量子科技的前沿領(lǐng)域。

量子糾纏是量子力學中最為神奇的現(xiàn)象之一，甚至被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。即當兩個或多個微觀粒子發(fā)生糾纏時，它們之間會形成一種特殊關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)不受距離限制，可以瞬間影響粒子狀態(tài)。物理學家們對此進行了長期探索，其中Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger，由于在探究光量子糾纏本質(zhì)及開創(chuàng)量子信息科學方面的貢獻，榮獲了2022年諾貝爾物理學獎。

光量子糾纏態(tài)是傳播量子信息最為重要的量子資源之一。利用光量子邏輯門、光糾纏過濾器對光量子糾纏態(tài)的高效操控，有助于實現(xiàn)遠距離量子通信、分布式量子計算及量子精密測量等重要應(yīng)用。然而，由于光子-光子之間幾乎沒有相互作用，實現(xiàn)確定性的光量子態(tài)操控是一個極具挑戰(zhàn)的難題。

近年來，基于里德堡原子的量子物理研究發(fā)展迅速。里德堡原子之間強而可控的相互作用以及與光子間良好的交互能力，為實現(xiàn)光子-光子間的高效量子操控提供了新的可能。李霖教授課題組長期致力于利用里德堡原子開展量子信息處理和精密測量的前沿研究。在本次工作中，課題組基于里德堡原子，實現(xiàn)了不同偏振光子之間的相互作用調(diào)控，構(gòu)建了全新的光量子糾纏過濾器，并由此從含有大量噪聲的低保真度輸入態(tài)中提取出保真度達99%以上的雙光子糾纏態(tài)。

量子通信和量子計算等重要應(yīng)用對糾纏保真度有著極高的要求，然而，糾纏態(tài)制備過程中的不完美、傳輸過程中引入的噪聲會導致保真度降低。因此，發(fā)展確定性的糾纏過濾器等量子光學器件是解決這一難題的核心。為此，李霖教授團隊利用兩個里德堡原子系綜進行具有偏振選擇的光子態(tài)-里德堡原子態(tài)相干轉(zhuǎn)化，將目標糾纏態(tài)轉(zhuǎn)化至無退相干子空間進行保護；同時，利用里德堡相互作用將其余的噪聲態(tài)濾除，從而提取出高保真度的光量子糾纏態(tài)。這一方案的優(yōu)勢在于，可從極大的噪聲中提取出近乎完美的量子糾纏。即使輸入態(tài)中僅含有7%的糾纏態(tài)（初始保真度為7%），里德堡糾纏過濾器仍然能將糾纏態(tài)保真度提升至99%以上。

圖2.基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器實驗示意圖

該項工作的一個創(chuàng)新之處在于，利用了一種原本被視為“不好”的量子效應(yīng)——退相干，來進行量子糾纏態(tài)的操作和制備。通常情況下，退相干會導致糾纏態(tài)的保真度下降，從而影響量子信息的正確傳輸和處理。因此，人們一般會想辦法抑制退相干效應(yīng)。而在本工作中，研究人員巧妙地將退相干“變廢為寶”：將噪聲雙光子態(tài)轉(zhuǎn)化為兩個里德堡激發(fā)態(tài)，并通過其無序相互作用引發(fā)退相干效應(yīng)，最終將噪聲態(tài)剔除，實現(xiàn)量子糾纏過濾。在退相干動力學演化過程中，輸出態(tài)的糾纏保真度逐漸趨近于完美。

為了理解并駕馭這一復(fù)雜的量子演化過程，課題組與北京自動化控制設(shè)備研究所的常越研究員、中科院理論物理研究所的石弢研究員進行合作，開發(fā)了里德堡相互作用下的退相干演化模型，其理論模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度契合。這一新方法拓展了基于里德堡原子的量子調(diào)控手段，使得利用低里德堡激發(fā)態(tài)來制備量子糾纏成為了可能。

圖3.里德堡量子糾纏過濾器實驗結(jié)果 這項成果不但填補了確定性量子糾纏過濾器的空白，還為可擴展的多光子量子光學研究以及里德堡多體量子物理研究提供了新的思路。例如，通過提升里德堡原子系綜的規(guī)模，可進行多光子的量子并行操作，高效制備薛定諤貓態(tài)等多光子糾纏態(tài)；通過引入里德堡相互作用的無序性及退相干，進一步探索無序相互作用下的新穎多體動力學過程。

在后續(xù)研究中，課題組還將聚焦于里德堡原子的高精度操控、里德堡原子-光子的高強度耦合等重要技術(shù)，探索基于里德堡原子的精密測量、量子計算和量子模擬。

審核編輯：劉清