我国科研团队提取出近乎完美的量子纠缠

基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器概念图。华科大供图

4月19日，记者从华中科技大学获悉，该校物理学院引力中心李霖教授课题组的一项最新研究成果，日前在《自然·光子学》杂志在线发表。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。

构建全新光量子纠缠过滤器

量子纠缠是量子力学中最为神奇的现象之一。爱因斯坦称其为“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。

李霖介绍，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。

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新的可能。

李霖所在的课题组，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。

在本次研究工作中，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。”李霖说，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，课题组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。

逆向创新实现“变废为宝”

可以从极大的噪声中提取出近乎完美的量子纠缠，是李霖课题组新方案的优势所在。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能将纠缠态保真度提升至99%以上。

此外，这项研究还有一个创新之处，即利用一种原本被视为“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保真度下降，从而影响量子信息正确传输和处理。因此，人们一般会想办法抑制退相干效应。

然而，课题组研究人员却巧妙地将退相干“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常越研究员、中科院理论物理研究所石弢研究员合作，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可能。

据介绍，这项研究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及里德堡多体量子物理研究提供新思路。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。

李霖表示，在后续研究中，课题组还将聚焦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。