他们研究突破的是量子力学中最神奇的现象……
长江日报大武汉客户端4月20日讯（记者陈晓彤 通讯员高翔）华中科技大学物理学院引力中心李霖教授课题组取得重要突破，团队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。
(资料图片)
基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器概念图。
据了解，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。而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。
基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器实验示意图。
近年来，基于里德堡原子的量子物理研究发展迅速。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。
里德堡量子纠缠过滤器实验结果。
李霖介绍，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，团队提出了一套全新方案，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。
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。李霖表示，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于完美。
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。据了解，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成果的共同第一作者，华科大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。
【编辑：丁翾】
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