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——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。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，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。

華中科技大學物理學院博士生葉根生、徐彪，博士后施帥以及北京自動化控制設(shè)備研究所的常越研究員為該工作的共同第一作者，我校李霖教授為通訊作者，華中科技大學為第一完成單位。主要合作者還有中科院理論物理研究所的石弢研究員。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(chǔ)設(shè)施的支持。

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