华中科技大学实现世界最高保真度的光量子逻辑门

近日，《自然·通讯》杂志在线发表了华中科技大学物理学院引力中心李霖教授课题组题为“High-fidelity photonic quantum logic gate based on near-optimal Rydberg single-photon source”的重要研究成果。该工作首次将里德堡单光子源的纯度和全同度同时提升至99.9%以上，并利用该单光子源实现了国际上最高保真度的光量子逻辑门。该研究成果有望为光量子信息处理和分布式光量子系统等重要量子应用开辟新的前景。

光量子逻辑门概念图

单光子源是量子信息和精密测量研究所需的核心量子资源之一。很多重要的量子光学应用对单光子的质量有着极高的要求，例如，为满足全光量子中继器和簇态光量子计算等应用，单光子的纯度必须达到99.9%以上，并且全同度要大于99%。过去的几十年中，人们发展了不同的物理系统来产生单光子，尽管单光子的质量得到了大幅提升，但实现同时满足高纯度和高全同度的单光子源仍是一大难题。

近年来，基于里德堡原子的量子物理研究取得了迅速的发展，里德堡原子之间极强且可控的相互作用为单光子层面的高效量子操控提供了全新的可能性。华中科技大学李霖教授课题组长期致力于发展基于里德堡原子的量子信息处理和精密测量技术，经过课题组数年如一日的努力，成功搭建了基于里德堡原子的量子物理实验平台。本研究中，课题组利用里德堡原子之间的相互作用实现了超级原子量子态的高精度激发与操控，并基于此制备了纯度达99.95%和全同度达99.94%的高质量单光子源。

单光子源的制备与量子逻辑门实验示意图