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從中國南開大學(xué)、到美國佐治亞理工大學(xué)和密歇根大學(xué)，再到德國馬克思-普朗克量子光學(xué)研究所......2018 年，在歐美留學(xué) 8 年之久的，加入華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力中心擔(dān)任教授，專攻基于里德堡原子的量子物理與精密測量。

【資料圖】

圖 | 李霖（來源：）

就在不久前，他和團(tuán)隊(duì)利用里德堡原子，實(shí)現(xiàn)了確定性的量子糾纏過濾器。該器件可以從含有大量噪聲的低保真度輸入態(tài)中，提取保真度高達(dá) 99% 以上的量子糾纏。

這項(xiàng)方案具有較好的通用性，并不僅僅局限于里德堡原子系統(tǒng)，故能為分布式量子信息處理和多光子量子光學(xué)等領(lǐng)域提供新的研究思路。

圖 | 部分研究人員合影（來源：課題組）

除此之外，本次實(shí)驗(yàn)方案及理論模型，讓基于里德堡原子的量子調(diào)控手段得到拓展，為探索無序相互作用下的新穎多體量子動(dòng)力學(xué)過程提供了又一途徑。

研究中，為了從含有大量噪聲的低保真度輸入態(tài)中提取量子糾纏，課題組將偏振-路徑量子比特編碼與里德堡量子存儲技術(shù)進(jìn)行巧妙結(jié)合，從而將輸入的兩光子態(tài)轉(zhuǎn)為里德堡超原子態(tài)。

在該方案中，目標(biāo)糾纏態(tài)會(huì)被轉(zhuǎn)化至無退相干子空間，借此獲得更多的保護(hù)，并能免遭德堡阻塞效應(yīng)的影響。

圖 | 里德堡糾纏過濾器實(shí)驗(yàn)方案示意圖（來源：Nature Photonics）

而噪聲態(tài)中的兩個(gè)光子，會(huì)輸入至同一個(gè)里德堡系綜，從而被里德堡阻塞效應(yīng)所濾除。

利用里德堡糾纏過濾器，課題組展示了如下功能：從任意低保真度的輸入態(tài)中，都能將高保真度的糾纏態(tài)過濾出來。

該團(tuán)隊(duì)的徐彪是本次研究的主要參與者之一。他說：“關(guān)于里德堡糾纏過濾器這一實(shí)驗(yàn)想法，在李老師回國建組之時(shí)就已初具雛形，不過對于我們而言，第一步還是得腳踏實(shí)地搭建起屬于自己的里德堡量子實(shí)驗(yàn)平臺，在此之上才能開展后續(xù)研究。”

2023 年 4 月，相關(guān)論文以《基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器》（）為題，發(fā)在 Nature Photonics上 [1]，葉根生、徐彪、以及北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所常越研究員是共同一作，擔(dān)任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Photonics）

盡管歷經(jīng)疫情、儀器設(shè)備禁售等不可抗力，他們?nèi)匀辉诓坏絻赡陼r(shí)間內(nèi)，成功搭建了里德堡量子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并于 2022 年在 Nature Communications發(fā)表了該系列研究的第一篇論文（和本次論文是姊妹篇）。

“2022 年發(fā)表的論文，意味著我們在里德堡原子領(lǐng)域已經(jīng)具備前沿水平的量子操控技術(shù)。基于此，李老師帶著我們進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)了量子糾纏過濾器?！毙毂胝f。

圖 | 里德堡原子量子糾纏實(shí)驗(yàn)裝置（來源：課題組）

基于糾纏的分布式量子技術(shù)亟待新突破

據(jù)了解，近年來基于里德堡原子的量子物理研究發(fā)展十分迅速。而該團(tuán)隊(duì)主要專注于利用里德堡原子，開展量子信息處理和量子精密測量的前沿研究。

課題組的研究重點(diǎn)之一，便是利用里德堡原子在光子-光子之間引入相互作用，從而實(shí)現(xiàn)高效的量子操控，進(jìn)而開發(fā)全新的光量子信息器件。

量子糾纏是量子力學(xué)中的一種重要現(xiàn)象，愛因斯坦將其稱為“鬼魅般的超距作用”。以兩粒子的貝爾糾纏態(tài)為例，當(dāng)對其中一個(gè)粒子進(jìn)行測量時(shí)，另一個(gè)粒子根據(jù)測量結(jié)果也會(huì)塌縮到特的狀態(tài)，這種特殊的關(guān)聯(lián)便被稱為量子糾纏。

由于這一奇特的性質(zhì)，量子糾纏被視為最核心的量子資源之一，也是第二次量子革命的重要基石。

近幾十年來，針對量子糾纏學(xué)界已經(jīng)開展過大量研究，推動(dòng)了量子通信、量子計(jì)算及量子精密測量等量子應(yīng)用的迅速發(fā)展。

2022 年，法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（）、美國物理學(xué)家約翰·克勞澤（）和奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格（）三位學(xué)者，憑借在光量子糾纏、以及量子信息上的貢獻(xiàn)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

然而，在實(shí)際的量子應(yīng)用中，糾纏態(tài)制備的不完美或是傳輸過程中引入的噪聲，都會(huì)降低糾纏態(tài)的保真度，制約著基于糾纏的分布式量子技術(shù)的發(fā)展。

而利用量子邏輯門制備高保真度糾纏態(tài)，或是利用糾纏過濾器等量子器件來提高糾纏保真度，則有望解決這一難題。

“變廢為寶”：利用退相干實(shí)現(xiàn)基于量子耗散的糾纏態(tài)操控

據(jù)本次論文共同一作葉根生回憶：“從含有大量噪聲的輸入態(tài)中提取高保真度的量子糾纏，就像大海撈針一樣。”

一開始的實(shí)驗(yàn)并不順利，保真度一度被限制在 90% 左右。盡管這一結(jié)果相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案已有很大的進(jìn)步，但是并不滿意，他說：“除非是受限于物理原因無法提升保真度，不然沒有理由接受這一結(jié)果。原子和光子不會(huì)‘說謊’，如果理論預(yù)測可以做到接近 100%，而我們卻沒有達(dá)到，那一定是做得還不夠好?！?

經(jīng)過一番細(xì)致研究，他們終于提升了里德堡相互作用調(diào)控能力，優(yōu)化了量子比特轉(zhuǎn)化方案，也讓背景噪聲得到抑制，最終將糾纏保真度成功提升至 99% 以上。

另據(jù)悉，在研究里德堡無序相互作用引起的退相干效應(yīng)時(shí)，一開始對于整個(gè)物理圖像他們總是有種霧里看花的感覺。

在量子信息研究中，退相干通常是一種需要極力規(guī)避的負(fù)面效應(yīng)，因?yàn)槠茐牧孔討B(tài)的相干性會(huì)導(dǎo)致保真度的下降。

但在這項(xiàng)工作中，他們利用退相干來實(shí)現(xiàn)糾纏過濾器：即將噪聲雙光子態(tài)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)鄰近的里德堡超原子。

這時(shí)，超原子之間的無序相互作用會(huì)引發(fā)退相干，從而在輻射過程中產(chǎn)生噪聲態(tài)的耗散。

但是，目標(biāo)糾纏態(tài)被保護(hù)至無退相干子空間，并不會(huì)受到量子耗散的影響。為此，邀請北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所的常越研究員和研究員，來探索這一復(fù)雜的物理過程。

為了找到合適的理論模型，雙方反復(fù)交流討論，最終提出了糾纏態(tài)演化的理論模型。

后來，他們利用兩個(gè)較低的里德堡激發(fā)態(tài)來產(chǎn)生無序相互作用，借此成功觀測這一現(xiàn)象：隨著量子耗散過程的推進(jìn)，輸出態(tài)的糾纏保真度也會(huì)逐步提高。

圖 | 利用里德堡量子耗散實(shí)現(xiàn)糾纏（來源：Nature Photonics）

這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬高度相符，也讓模型的準(zhǔn)確性得以驗(yàn)證。同時(shí)，這也是對理論研究者和實(shí)驗(yàn)研究者之間默契配合的最佳肯定。

憑借這一新穎的實(shí)驗(yàn)方案，他們將退相干“變廢為寶”。同時(shí)，該方案不再依賴?yán)锏卤ぷ枞?yīng)，只需很低的里德堡激發(fā)態(tài)就能實(shí)現(xiàn)糾纏操作，并且具有很高的魯棒性。

據(jù)介紹，目前大部分基于里德堡原子的量子操作都依賴于高激發(fā)態(tài)，這是因?yàn)樵礁叩睦锏卤ぜぐl(fā)態(tài)的相互作用越強(qiáng)，也越容易實(shí)現(xiàn)阻塞效應(yīng)。

但是，高激發(fā)的里德堡態(tài)對外界環(huán)境極為敏感，很容易因外界的電磁場、原子相互作用等因素產(chǎn)生損失或退相干。

因此，在多年以前就開始思考，如何用較低的里德堡態(tài)實(shí)現(xiàn)高效量子操作。而如今，這一想法終于通過本工作得以實(shí)現(xiàn)。

那么，針對這一問題是否有其它解決方案？以及相比其它策略，里德堡糾纏過濾器有著怎樣的優(yōu)勢？

據(jù)介紹，光子作為一種重要的量子比特，具有豐富的編碼自由度以及極高的傳播速度，這使得光量子糾纏態(tài)成為分發(fā)量子信息、建立遠(yuǎn)程量子糾纏的絕佳資源，因而受諸多量子應(yīng)用青睞。

然而，由于光子之間幾乎沒有相互作用，制備或操控光量子糾纏態(tài)也變得極為困難，這也成為光量子器件發(fā)展中的關(guān)鍵和難點(diǎn)之一。

里德堡原子是高激發(fā)態(tài)的“巨型”原子，其波函數(shù)可達(dá)微米尺度。因此有著諸多優(yōu)異的性質(zhì)，例如對電磁場極為敏感、存在強(qiáng)大且可控的相互作用、與光子之間的良好交互能力等。

據(jù)介紹，里德堡原子有望在量子計(jì)算、量子光學(xué)和精密測量等方向開拓新的賽道。同時(shí)，里德堡原子這一年輕的領(lǐng)域也面臨著來自理論、實(shí)驗(yàn)、技術(shù)等方面的諸多挑戰(zhàn)。

因此該團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是：探索新的量子操控方法、新的技術(shù)手段以及新的研究思路，從而推動(dòng)基于里德堡原子的量子物理研究。

參考資料：

1.Ye, GS., Xu, B., Chang, Y.et al.A photonic entanglement filter with Rydberg atoms.Nat. Photon.(2023). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01194-0

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