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。該研究在國際上首次實現(xiàn)了基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器，可用于保護量子糾纏態(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)兩個或多個微觀粒子發(fā)生糾纏時，它們之間會形成一種特殊關(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)家們對此進行了長期探索，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，榮獲了2022年諾貝爾物理學(xué)獎。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、光糾纏過濾器對光量子糾纏態(tài)的高效操控，有助于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信、分布式量子計算及量子精密測量等重要應(yīng)用。然而，由于光子-光子之間幾乎沒有相互作用，實現(xiàn)確定性的光量子態(tài)操控是一個極具挑戰(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。里德堡原子之間強而可控的相互作用以及與光子間良好的交互能力，為實現(xiàn)光子-光子間的高效量子操控提供了新的可能。李霖教授課題組長期致力于利用里德堡原子開展量子信息處理和精密測量的前沿研究。在本次工作中，課題組基于里德堡原子，實現(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99%以上的雙光子糾纏態(tài)。

量子通信和量子計算等重要應(yīng)用對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，李霖教授團隊利用兩個里德堡原子系綜進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)化至無退相干子空間進行保護；同時，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驗示意圖