中國科學家在原子量子信息領域取得重要進展！

4月19日，從華中科技大學獲悉，該校物理學院引力中心李霖教授課題組的一項最新研究成果，日前在《自然·光子學》雜志在線發表。該研究在國際上首次實現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，并確定性地濾除噪聲光子態。課題組利用該過濾器，從極低保真度的輸入態中提取出近乎完美的量子糾纏。

這一成果有望應用于分布式量子信息處理、多光子量子光學等量子科技的前沿領域。

量子糾纏是量子力學中最為神奇的現象之一。愛因斯坦稱其為“鬼魅般的超距作用”，即當兩個或多個微觀粒子發生糾纏時，它們之間會形成一種特殊關聯，這種關聯不受距離限制，可以瞬間影響粒子狀態。物理學家們對此進行了長期探索。

李霖介紹，光量子糾纏態是傳播量子信息最為重要的量子資源之一。然而，由于光子-光子之間幾乎沒有相互作用，實現確定性的光量子態操控是一個極具挑戰的難題。

近年來，基于里德堡原子的量子物理研究發展迅速。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，為實現光子-光子間的高效量子操控提供新的可能。

在本次研究工作中，課題組基于里德堡原子，實現了不同偏振光子之間的相互作用調控，構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中提取出保真度達99%以上的雙光子糾纏態。

“量子通信和量子計算等重要應用對糾纏保真度有著極高的要求，然而，糾纏態制備過程中的不完美、傳輸過程中引入的噪聲會導致保真度降低。”李霖說，發展確定性的糾纏過濾器等量子光學器件是解決這一難題的核心。

為此，課題組利用兩個里德堡原子系綜進行具有偏振選擇的光子態-里德堡原子態相干轉化，將目標糾纏態轉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濾除，從而提取出高保真度的光量子糾纏態。

逆向創新實現“變廢為寶”

可以從極大的噪聲中提取出近乎完美的量子糾纏，是李霖課題組新方案的優勢所在。即使輸入態中僅含有7%的糾纏態（初始保真度為7%），里德堡糾纏過濾器仍能將糾纏態保真度提升至99%以上。

此外，這項研究還有一個創新之處，即利用一種原本被視為“不好”的量子效應——退相干，來進行量子糾纏態的操作和制備。通常情況下，退相干會導致糾纏態保真度下降，從而影響量子信息正確傳輸和處理。因此，人們一般會想辦法抑制退相干效應。

然而，課題組研究人員卻巧妙地將退相干“變廢為寶”，將噪聲雙光子態轉化為兩個里德堡激發態，并通過其無序相互作用引發退相干效應，最終將噪聲態剔除，實現量子糾纏過濾。

為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備研究所常越研究員、中科院理論物理研究所石弢研究員合作，開發了里德堡相互作用下的退相干演化模型，其理論模擬結果與實驗數據高度契合。這一新方法拓展了基于里德堡原子的量子調控手段，使得利用低里德堡激發態來制備量子糾纏成為可能。