4月6日，《自然-光子学》（Nature Photonics）在线发表了物理学院引力中心李霖教授课题组的重要研究成果。该研究在国际上首次实现了基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器，可用于保护量子纠缠态，并确定性地滤除噪声光子态。课题组利用该过滤器，从极低保真度的输入态中提取出了近乎完美的量子纠缠。这一成果有望应用于分布式量子信息处理、多光子量子光学等量子科技的前沿领域。
量子纠缠是量子力学中最为神奇的现象之一，甚至被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。即当两个或多个微观粒子发生纠缠时，它们之间会形成一种特殊关联，这种关联不受距离限制，可以瞬间影响粒子状态。物理学家们对此进行了长期探索，其中Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger，由于在探究光量子纠缠本质及开创量子信息科学方面的贡献，荣获了2022年诺贝尔物理学奖。光量子纠缠态是传播量子信息最为重要的量子资源之一。利用光量子逻辑门、光纠缠过滤器对光量子纠缠态的高效操控，有助于实现远距离量子通信、分布式量子计算及量子精密测量等重要应用。然而，由于光子-光子之间几乎没有相互作用，实现确定性的光量子态操控是一个极具挑战的难题。
图一、基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器概念图
近年来，基于里德堡原子的量子物理研究发展迅速。里德堡原子之间强而可控的相互作用以及与光子间良好的交互能力，为实现光子-光子间的高效量子操控提供了新的可能。李霖教授课题组长期致力于利用里德堡原子开展量子信息处理和精密测量的前沿研究。在本次工作中，课题组基于里德堡原子，实现了不同偏振光子之间的相互作用调控，构建了全新的光量子纠缠过滤器，并由此从含有大量噪声的低保真度输入态中提取出保真度达99%以上的双光子纠缠态。
量子通信和量子计算等重要应用对纠缠保真度有着极高的要求，然而，纠缠态制备过程中的不完美、传输过程中引入的噪声会导致保真度降低。因此，发展确定性的纠缠过滤器等量子光学器件是解决这一难题的核心。为此，李霖教授团队利用两个里德堡原子系综进行具有偏振选择的光子态-里德堡原子态相干转化，将目标纠缠态转化至无退相干子空间进行保护；同时，利用里德堡相互作用将其余的噪声态滤除，从而提取出高保真度的光量子纠缠态。这一方案的优势在于，可从极大的噪声中提取出近乎完美的量子纠缠。即使输入态中仅含有7%的纠缠态（初始保真度为7%），里德堡纠缠过滤器仍然能将纠缠态保真度提升至99% 以上。
图二、基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器实验示意图
该项工作的一个创新之处在于，利用了一种原本被视为“不好”的量子效应——退相干，来进行量子纠缠态的操作和制备。通常情况下，退相干会导致纠缠态的保真度下降，从而影响量子信息的正确传输和处理。因此，人们一般会想办法抑制退相干效应。而在本工作中，研究人员巧妙地将退相干“变废为宝”：将噪声双光子态转化为两个里德堡激发态，并通过其无序相互作用引发退相干效应，最终将噪声态剔除，实现量子纠缠过滤。在退相干动力学演化过程中，输出态的纠缠保真度逐渐趋近于完美。为了理解并驾驭这一复杂的量子演化过程，课题组与北京自动化控制设备研究所的常越研究员、中科院理论物理研究所的石弢研究员进行合作，开发了里德堡相互作用下的退相干演化模型，其理论模拟结果与实验数据高度契合。这一新方法拓展了基于里德堡原子的量子调控手段，使得利用低里德堡激发态来制备量子纠缠成为了可能。
图三、里德堡量子纠缠过滤器 实验结果
这项成果不但填补了确定性量子纠缠过滤器的空白，还为可扩展的多光子量子光学研究以及里德堡多体量子物理研究提供了新的思路。例如，通过提升里德堡原子系综的规模，可进行多光子的量子并行操作，高效制备薛定谔猫态等多光子纠缠态；通过引入里德堡相互作用的无序性及退相干，进一步探索无序相互作用下的新颖多体动力学过程。在后续研究中，课题组还将聚焦于里德堡原子的高精度操控、里德堡原子-光子的高强度耦合等重要技术，探索基于里德堡原子的精密测量、量子计算和量子模拟。
华中科技大学物理学院博士生叶根生、徐彪，博士后施帅及北京自动化控制设备研究所的常越研究员为该工作的共同第一作者，我校李霖教授为通讯作者,华中科技大学为第一完成单位。主要合作者还有中科院理论物理研究所的石弢研究员。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委和华中科技大学精密重力测量国家重大科技基础设施的支持。
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