华中科技大学首次实现了基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器

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3.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，博士后施帅以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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