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。

圖1.基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器概念圖

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(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)制備過程中的不完美、傳輸過程中引入的噪聲會(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(shí)驗(yàn)示意圖