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      近乎完美，祝賀中國科學(xué)家
      

      
			
      
2023-04-20 15:04
科技日報
責(zé)任編輯：吳靜

      
			



			
      
            

      4月19日，記者從華中科技大學(xué)獲悉，該校物理學(xué)院引力中心李霖教授課題組的一項最新研究成果，日前在《自然·光子學(xué)》雜志在線發(fā)表。該研究在國際上首次實現(xiàn)了基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器，可用于保護(hù)量子糾纏態(tài)，并確定性地濾除噪聲光子態(tài)。課題組利用該過濾器，從極低保真度的輸入態(tài)中提取出近乎完美的量子糾纏。
      這一成果有望應(yīng)用于分布式量子信息處理、多光子量子光學(xué)等量子科技的前沿領(lǐng)域。
      構(gòu)建全新光量子糾纏過濾器
      量子糾纏是量子力學(xué)中最為神奇的現(xiàn)象之一。愛因斯坦稱其為“鬼魅般的超距作用”，即當(dāng)兩個或多個微觀粒子發(fā)生糾纏時，它們之間會形成一種特殊關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)不受距離限制，可以瞬間影響粒子狀態(tài)。物理學(xué)家們對此進(jìn)行了長期探索。
      李霖介紹，光量子糾纏態(tài)是傳播量子信息最為重要的量子資源之一。然而，由于光子-光子之間幾乎沒有相互作用，實現(xiàn)確定性的光量子態(tài)操控是一個極具挑戰(zhàn)的難題。
      近年來，基于里德堡原子的量子物理研究發(fā)展迅速。里德堡原子之間強(qiáng)而可控的相互作用，以及與光子間良好的交互能力，為實現(xiàn)光子-光子間的高效量子操控提供新的可能。
      在本次研究工作中，課題組基于里德堡原子，實現(xiàn)了不同偏振光子之間的相互作用調(diào)控，構(gòu)建了全新的光量子糾纏過濾器，并由此從含有大量噪聲的低保真度輸入態(tài)中提取出保真度達(dá)99%以上的雙光子糾纏態(tài)。
      “量子通信和量子計算等重要應(yīng)用對糾纏保真度有著極高的要求，然而，糾纏態(tài)制備過程中的不完美、傳輸過程中引入的噪聲會導(dǎo)致保真度降低。”李霖說，發(fā)展確定性的糾纏過濾器等量子光學(xué)器件是解決這一難題的核心。
      為此，課題組利用兩個里德堡原子系綜進(jìn)行具有偏振選擇的光子態(tài)-里德堡原子態(tài)相干轉(zhuǎn)化，將目標(biāo)糾纏態(tài)轉(zhuǎn)化至無退相干子空間進(jìn)行保護(hù)；同時，利用里德堡相互作用將其余的噪聲態(tài)濾除，從而提取出高保真度的光量子糾纏態(tài)。
      逆向創(chuàng)新實現(xiàn)“變廢為寶”
      可以從極大的噪聲中提取出近乎完美的量子糾纏，是李霖課題組新方案的優(yōu)勢所在。即使輸入態(tài)中僅含有7%的糾纏態(tài)（初始保真度為7%），里德堡糾纏過濾器仍能將糾纏態(tài)保真度提升至99%以上。
      此外，這項研究還有一個創(chuàng)新之處，即利用一種原本被視為“不好”的量子效應(yīng)——退相干，來進(jìn)行量子糾纏態(tài)的操作和制備。通常情況下，退相干會導(dǎo)致糾纏態(tài)保真度下降，從而影響量子信息正確傳輸和處理。因此，人們一般會想辦法抑制退相干效應(yīng)。
      然而，課題組研究人員卻巧妙地將退相干“變廢為寶”，將噪聲雙光子態(tài)轉(zhuǎn)化為兩個里德堡激發(fā)態(tài)，并通過其無序相互作用引發(fā)退相干效應(yīng)，最終將噪聲態(tài)剔除，實現(xiàn)量子糾纏過濾。
      為理解并駕馭這一復(fù)雜的量子演化過程，課題組與北京自動化控制設(shè)備研究所常越研究員、中科院理論物理研究所石弢研究員合作，開發(fā)了里德堡相互作用下的退相干演化模型，其理論模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度契合。這一新方法拓展了基于里德堡原子的量子調(diào)控手段，使得利用低里德堡激發(fā)態(tài)來制備量子糾纏成為可能。
      據(jù)介紹，這項研究成果不但填補了確定性量子糾纏過濾器的空白，還為可擴(kuò)展的多光子量子光學(xué)研究及里德堡多體量子物理研究提供新思路。
      

            
            
            
       
			
			

        
			
      
			
			
      
            
            

        

      
				
			
      
			





      
				
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