華中科大李霖課題組成果 芮得柏原子量子資訊領域取得重要進展

華中科大教授李霖課題組在芮得柏原子量子資訊領域取得重要進展。圖爲基於芮得柏原子的光量子糾纏過濾器概念圖。（示意圖/shutterstock達志影像）

觀察者網20日報導，華中科技大學物理學院引力中心教授李霖課題組，在芮得柏原子量子資訊領域，取得重要進展。並在國際期刊《自然-光子學》（Nature Photonics）雜誌線上發表重要研究成果。該研究在國際上首次實現了基於芮得柏原子的光量子糾纏過濾器，可用於保護量子糾纏態，並確定性地濾除雜訊光子態。課題組利用該過濾器，從極低保真度的輸入態中提取出了近乎完美的量子糾纏。這一成果有望應用於分佈式量子資訊處理、多光子量子光學等量子科技的前沿領域。

量子糾纏（或稱量子纏結，quantum entanglement）是量子力學中最爲神奇的現象之一，甚至被愛因斯坦稱爲「鬼魅般的超距作用」。即當兩個或多個微觀粒子發生糾纏時，它們之間會形成一種特殊關聯，這種關聯不受距離限制，可以瞬間影響粒子狀態。物理學家對此長期探索，其中Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger，由於在探究光量子糾纏本質及開創量子資訊科學方面的貢獻，獲得2022年諾貝爾物理學獎。光量子糾纏態是傳播量子資訊最爲重要的量子資源之一。利用光量子邏輯門、光糾纏過濾器對光量子糾纏態的高效操控，有助於實現遠距離量子通信、分佈式量子計算及量子精密測量等重要應用。然而，由於光子-光子之間幾乎沒有相互作用，實現確定性的光量子態操控是一個極具挑戰的難題。

近年來，基於芮得柏原子的量子物理研究發展迅速。芮得柏原子之間強而可控的相互作用以及與光子間良好的交互能力，爲實現光子-光子間的高效量子操控提供了新的可能。李霖教授課題組長期致力於利用芮得柏原子開展量子資訊處理和精密測量的前沿研究。在本次工作中，課題組基於芮得柏原子，實現了不同偏振光子之間的相互作用調控，構建了全新的光量子糾纏過濾器，並由此從含有大量雜訊的低保真度輸入態中提取出保真度達99％以上的雙光子糾纏態。

量子通信和量子計算等重要應用對糾纏保真度有着極高的要求，然而，糾纏態製備過程中的不完美、傳輸過程中引入的雜訊會導致保真度降低。因此，發展確定性的糾纏過濾器等量子光學器件是解決這一難題的核心。

爲此，李霖教授團隊利用兩個芮得柏原子系綜進行具有偏振選擇的光子態-芮得柏原子態相干轉化，將目標糾纏態轉化至無退相干（又稱去相干，Quantum decoherence）子空間進行保護；同時，利用芮得柏相互作用將其餘的雜訊態濾除，從而提取出高保真度的光量子糾纏態。這一方案的優勢在於，可從極大的雜訊中提取出近乎完美的量子糾纏。即使輸入態中僅含有7％的糾纏態（初始保真度爲7％），芮得柏糾纏過濾器仍然能將糾纏態保真度提升至99％以上。

該項工作的一個創新之處在於，利用了一種原本被視爲「不好」的量子效應——退相干，來進行量子糾纏態的操作和製備。通常情況下，退相干會導致糾纏態的保真度下降，從而影響量子資訊的正確傳輸和處理。因此，人們一般會想辦法抑制退相干效應。而在本工作中，研究人員巧妙地將退相干「變廢爲寶」：將雜訊雙光子態轉化爲兩個芮得柏激發態，並通過其無序相互作用引發退相干效應，最終將雜訊態剔除，實現量子糾纏過濾。在退相干動力學演化過程中，輸出態的糾纏保真度逐漸趨近於完美。爲了理解並駕馭這一複雜的量子演化過程，課題組與北京自動化控制設備研究所的常越研究員、中科院理論物理研究所的石弢研究員合作，開發了芮得柏相互作用下的退相干演化模型，其理論類比結果與實驗資料高度契合。這一新方法拓展了基於芮得柏原子的量子調控手段，使得利用低芮得柏激發態來製備量子糾纏成爲了可能。

這項成果不但填補了確定性量子糾纏過濾器的空白，還爲可擴展的多光子量子光學研究以及芮得柏多體量子物理研究提供了新的思路。例如，通過提升芮得柏原子系綜的規模，可進行多光子的量子平行作業，高效製備薛定諤貓態等多光子糾纏態；通過引入芮得柏相互作用的無序性及退相干，進一步探索無序相互作用下的新穎多體動力學過程。在後續研究中，課題組還將聚焦於芮得柏原子的高精度操控、芮得柏原子-光子的高強度耦合等重要技術，探索基於芮得柏原子的精密測量、量子計算和量子模擬。

華中科技大學物理學院博士生葉根生、徐彪，博士後施帥及北京自動化控制設備研究所的常越研究員爲該工作的共同第一作者，李霖爲通訊作者，華中科技大學爲第一完成單位。主要合作者還有中科院理論物理研究所研究員石弢。該工作得到了大陸科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和華中科技大學精密重力測量國家重大科技基礎設施的支持。