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

近日，《自然-光子学》（Nature Photonics）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1.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2.基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器实验示意图