華中科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)了基于里德堡原子的光量子糾纏過(guò)濾器

近日，《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）雜志在線發(fā)表了華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力中心李霖教授課題組的重要研究成果。該研究在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于里德堡原子的光量子糾纏過(guò)濾器，可用于保護(hù)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(guò)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(xué)等量子科技的前沿領(lǐng)域。

量子糾纏是量子力學(xué)中最為神奇的現(xiàn)象之一，甚至被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。即當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子發(fā)生糾纏時(shí)，它們之間會(huì)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(xué)家們對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)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(xué)方面的貢獻(xiàn)，榮獲了2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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(guò)濾器對(duì)光量子糾纏態(tài)的高效操控，有助于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信、分布式量子計(jì)算及量子精密測(cè)量等重要應(yīng)用。然而，由于光子-光子之間幾乎沒(méi)有相互作用，實(shí)現(xiàn)確定性的光量子態(tài)操控是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的難題。

近年來(lái)，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(qiáng)而可控的相互作用以及與光子間良好的交互能力，為實(shí)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(zhǎng)期致力于利用里德堡原子開展量子信息處理和精密測(cè)量的前沿研究。在本次工作中，課題組基于里德堡原子，實(shí)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(guò)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(dá)99%以上的雙光子糾纏態(tài)。

量子通信和量子計(jì)算等重要應(yīng)用對(duì)糾纏保真度有著極高的要求，然而，糾纏態(tài)制備過(guò)程中的不完美、傳輸過(guò)程中引入的噪聲會(huì)導(dǎo)致保真度降低。因此，發(fā)展確定性的糾纏過(guò)濾器等量子光學(xué)器件是解決這一難題的核心。為此，李霖教授團(tuán)隊(duì)利用兩個(gè)里德堡原子系綜進(jìn)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(biāo)糾纏態(tài)轉(zhuǎn)化至無(wú)退相干子空間進(jìn)行保護(hù)；同時(shí)，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(shì)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(guò)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(guò)濾器實(shí)驗(yàn)示意圖

該項(xiàng)工作的一個(gè)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(lái)進(jìn)行量子糾纏態(tài)的操作和制備。通常情況下，退相干會(huì)導(dǎo)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(huì)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(gè)里德堡激發(fā)態(tài)，并通過(guò)其無(wú)序相互作用引發(fā)退相干效應(yīng)，最終將噪聲態(tài)剔除，實(shí)現(xiàn)量子糾纏過(guò)濾。在退相干動(dòng)力學(xué)演化過(guò)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(guò)程，課題組與北京自動(dòng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(lái)制備量子糾纏成為了可能。

圖3.里德堡量子糾纏過(guò)濾器實(shí)驗(yàn)結(jié)果 這項(xiàng)成果不但填補(bǔ)了確定性量子糾纏過(guò)濾器的空白，還為可擴(kuò)展的多光子量子光學(xué)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(guò)提升里德堡原子系綜的規(guī)模，可進(jìn)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(guò)引入里德堡相互作用的無(wú)序性及退相干，進(jìn)一步探索無(wú)序相互作用下的新穎多體動(dòng)力學(xué)過(guò)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(qiáng)度耦合等重要技術(shù)，探索基于里德堡原子的精密測(cè)量、量子計(jì)算和量子模擬。

審核編輯：劉清