近日，《自然·通訊》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題為“High-fidelity photonic quantum logic gate based on near-optimal Rydberg single-photon source”的重要研究成果。該工作首次將里德堡單光子源的純度和全同度同時提升至99.9%以上，并利用該單光子源實現(xiàn)了國際上最高保真度的光量子邏輯門。該研究成果有望為光量子信息處理和分布式光量子系統(tǒng)等重要量子應(yīng)用開辟新的前景。

光量子邏輯門概念圖

單光子源是量子信息和精密測量研究所需的核心量子資源之一。很多重要的量子光學應(yīng)用對單光子的質(zhì)量有著極高的要求，例如，為滿足全光量子中繼器和簇態(tài)光量子計算等應(yīng)用，單光子的純度必須達到99.9%以上，并且全同度要大于99%。過去的幾十年中，人們發(fā)展了不同的物理系統(tǒng)來產(chǎn)生單光子，盡管單光子的質(zhì)量得到了大幅提升，但實現(xiàn)同時滿足高純度和高全同度的單光子源仍是一大難題。

近年來，基于里德堡原子的量子物理研究取得了迅速的發(fā)展，里德堡原子之間極強且可控的相互作用為單光子層面的高效量子操控提供了全新的可能性。華中科技大學李霖教授課題組長期致力于發(fā)展基于里德堡原子的量子信息處理和精密測量技術(shù)，經(jīng)過課題組數(shù)年如一日的努力，成功搭建了基于里德堡原子的量子物理實驗平臺。本研究中，課題組利用里德堡原子之間的相互作用實現(xiàn)了超級原子量子態(tài)的高精度激發(fā)與操控，并基于此制備了純度達99.95%和全同度達99.94%的高質(zhì)量單光子源。

單光子源的制備與量子邏輯門實驗示意圖