我國學(xué)者新成果有望為量子應(yīng)用開辟新前景

8月1日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力中心教授李霖課題組的研究成果。該工作首次將里德堡單光子源的純度和全同度同時(shí)提升至99.9%以上，并利用該單光子源實(shí)現(xiàn)了國際上最高保真度的光量子邏輯門。該研究成果有望為光量子信息處理和分布式光量子系統(tǒng)等重要量子應(yīng)用開辟新的前景。

光量子邏輯門概念圖   華中科技大學(xué)供圖

單光子源是量子信息和精密測量研究所需的核心量子資源之一。很多重要的量子光學(xué)應(yīng)用對(duì)單光子的質(zhì)量有著極高要求，例如，為滿足全光量子中繼器和簇態(tài)光量子計(jì)算等應(yīng)用，單光子的純度必須達(dá)到99.9%以上，并且全同度要大于99%。過去的幾十年中，人們發(fā)展了不同的物理系統(tǒng)來產(chǎn)生單光子，盡管單光子的質(zhì)量得到了大幅提升，但實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足高純度和高全同度的單光子源仍是一大難題。

近年來，基于里德堡原子的量子物理研究取得了迅速的發(fā)展，里德堡原子之間極強(qiáng)且可控的相互作用，為單光子層面的高效量子操控提供了全新的可能性。李霖課題組長期致力于發(fā)展基于里德堡原子的量子信息處理和精密測量技術(shù)，經(jīng)過課題組數(shù)年如一日的努力，成功搭建了基于里德堡原子的量子物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本研究中，課題組利用里德堡原子之間的相互作用實(shí)現(xiàn)了超級(jí)原子量子態(tài)的高精度激發(fā)與操控，并基于此制備了純度達(dá)99.95%和全同度達(dá)99.94%的高質(zhì)量單光子源。

單光子源的制備與量子邏輯門實(shí)驗(yàn)示意圖   華中科技大學(xué)供圖

課題組也進(jìn)行了重要的單光子源應(yīng)用研究——光量子邏輯門。量子邏輯門是量子計(jì)算等重要應(yīng)用的核心單元，其保真度直接影響著量子系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。在現(xiàn)有的量子比特中，光子是長距離傳輸量子信息的最佳載體，因此實(shí)現(xiàn)高保真度的光量子信息處理對(duì)于構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)，分布式量子計(jì)算至關(guān)重要。國外學(xué)者曾于2001年提出，利用量子干涉和投影測量可以實(shí)現(xiàn)光子-光子量子邏輯門，但該方案中，光量子邏輯門的保真度受限于單光子源的質(zhì)量。要基于該方案實(shí)現(xiàn)保真度大于99%的量子邏輯門，單光子的純度必須大于99.3%，且全同度要大于99%。這些嚴(yán)苛的指標(biāo)使得保真度大于99%的光量子邏輯門至今未被實(shí)現(xiàn)。

在本研究中，課題組利用高質(zhì)量的里德堡單光子源展示了近乎完美的雙光子量子干涉，將其應(yīng)用到基于KLM方案的光量子邏輯門實(shí)驗(yàn)中，并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。利用該高保真度的光量子邏輯門，課題組進(jìn)一步展示了在兩個(gè)無關(guān)聯(lián)的單光子之間建立量子糾纏，并通過量子層析及貝爾不等式等方式進(jìn)行了量子糾纏測量，其糾纏門保真度達(dá)到了99.69%。相比于之前的同類實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本項(xiàng)研究將光量子邏輯門的誤差(失真度)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

該研究將助力于全光量子信息處理的發(fā)展，其中高質(zhì)量單光子源及高保真度量子邏輯門可用于制備簇態(tài)等重要的多光子糾纏態(tài)，并以此構(gòu)建具有容錯(cuò)功能的光量子計(jì)算系統(tǒng)。為進(jìn)一步提高可糾纏的光子數(shù)目，課題組還將探索里德堡原子與高精細(xì)度共振腔耦合的全新方案以提升光量子態(tài)產(chǎn)生效率。此外，里德堡原子也是量子計(jì)算的絕佳平臺(tái)之一，利用其極好的光-物質(zhì)量子交互能力，該研究實(shí)現(xiàn)的高質(zhì)量光量子態(tài)可以將多個(gè)里德堡量子節(jié)點(diǎn)相連接，有望構(gòu)建具有更高可擴(kuò)展性的量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。課題組在該研究中還發(fā)展了高精度里德堡原子調(diào)控技術(shù)，為將來進(jìn)行基于里德堡原子的量子精密測量奠定了基礎(chǔ)。