中国科学家在原子量子信息领域取得重要进展！
4月19日，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。
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。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。
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。
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。
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