华中科技大学实现世界最高保真度的光量子逻辑门

课题组也进行了重要的单光子源应用研究：光量子逻辑门。量子逻辑门是量子计算等重要应用的核心单元，其保真度直接影响着量子系统的可扩展性。在现有的量子比特中，光子是长距离传输量子信息的最佳载体，因此实现高保真度的光量子信息处理对于构建大规模量子网络，分布式量子计算至关重要。Knill、Laflamme和Milburn于2001年提出，利用量子干涉和投影测量可以实现光子-光子量子逻辑门（KLM方案），但该方案中光量子逻辑门的保真度受限于单光子源的质量。要基于该方案实现保真度大于99%的量子逻辑门，单光子的纯度必须大于99.3%，且全同度要大于99%。这些严苛的指标使得保真度大于99%的光量子逻辑门至今未被实现。

在本研究中，李霖教授课题组利用高质量的里德堡单光子源展示了近乎完美的双光子量子干涉，将其应用到基于KLM方案的光量子逻辑门实验中，并成功地将真值表保真度提高到了99.84%。利用该高保真度的光量子逻辑门，课题组进一步展示了在两个无关联的单光子之间建立量子纠缠，并通过量子层析及贝尔不等式等方式进行了量子纠缠测量，其纠缠门保真度达到了99.69%。相比于之前的同类实验结果，本项研究将光量子逻辑门的误差(失真度)降低了一个数量级以上。

里德堡量子光学实验装置

该研究将助力于全光量子信息处理的发展，其中高质量单光子源及高保真度量子逻辑门可用于制备簇态等重要的多光子纠缠态，并以此构建具有容错功能的光量子计算系统。为进一步提高可纠缠的光子数目，课题组还将探索里德堡原子与高精细度共振腔耦合的全新方案以提升光量子态产生效率。此外，里德堡原子也是量子计算的绝佳平台之一，利用其极好的光-物质量子交互能力，该研究实现的高质量光量子态可以将多个里德堡量子节点相连接，有望构建具有更高可扩展性的量子计算网络。课题组在该研究中还发展了高精度里德堡原子调控技术，为将来进行基于里德堡原子的量子精密测量奠定了基础。

华中科技大学物理学院博士后施帅、博士生徐彪、叶根生和张宽副教授为该工作共同第一作者，李霖教授和粟待钦副教授为共同通讯作者，华中科技大学为第一单位。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。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32083-9