課題組也進行了重要的單光子源應用研究：光量子邏輯門。量子邏輯門是量子計算等重要應用的核心單元，其保真度直接影響著量子系統(tǒng)的可擴展性。在現(xiàn)有的量子比特中，光子是長距離傳輸量子信息的最佳載體，因此實現(xiàn)高保真度的光量子信息處理對于構建大規(guī)模量子網(wǎng)絡，分布式量子計算至關重要。Knill、Laflamme和Milburn于2001年提出，利用量子干涉和投影測量可以實現(xiàn)光子-光子量子邏輯門（KLM方案），但該方案中光量子邏輯門的保真度受限于單光子源的質量。要基于該方案實現(xiàn)保真度大于99%的量子邏輯門，單光子的純度必須大于99.3%，且全同度要大于99%。這些嚴苛的指標使得保真度大于99%的光量子邏輯門至今未被實現(xiàn)。

在本研究中，李霖教授課題組利用高質量的里德堡單光子源展示了近乎完美的雙光子量子干涉，將其應用到基于KLM方案的光量子邏輯門實驗中，并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。利用該高保真度的光量子邏輯門，課題組進一步展示了在兩個無關聯(lián)的單光子之間建立量子糾纏，并通過量子層析及貝爾不等式等方式進行了量子糾纏測量，其糾纏門保真度達到了99.69%。相比于之前的同類實驗結果，本項研究將光量子邏輯門的誤差(失真度)降低了一個數(shù)量級以上。

里德堡量子光學實驗裝置

該研究將助力于全光量子信息處理的發(fā)展，其中高質量單光子源及高保真度量子邏輯門可用于制備簇態(tài)等重要的多光子糾纏態(tài)，并以此構建具有容錯功能的光量子計算系統(tǒng)。為進一步提高可糾纏的光子數(shù)目，課題組還將探索里德堡原子與高精細度共振腔耦合的全新方案以提升光量子態(tài)產(chǎn)生效率。此外，里德堡原子也是量子計算的絕佳平臺之一，利用其極好的光-物質量子交互能力，該研究實現(xiàn)的高質量光量子態(tài)可以將多個里德堡量子節(jié)點相連接，有望構建具有更高可擴展性的量子計算網(wǎng)絡。課題組在該研究中還發(fā)展了高精度里德堡原子調控技術，為將來進行基于里德堡原子的量子精密測量奠定了基礎。

華中科技大學物理學院博士后施帥、博士生徐彪、葉根生和張寬副教授為該工作共同第一作者，李霖教授和粟待欽副教授為共同通訊作者，華中科技大學為第一單位。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委和華中科技大學精密重力測量國家重大科技基礎設施的支持。

相關鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32083-9