今日热讯：华中科大实现国际最高保真度光量子逻辑门，纠缠门保真度达99.69%

近日，华中科技大学物理学院教授李霖和团队，基于里德堡原子生成了高质量的单光子源，首次在实验中同时将里德堡单光子源的纯度和全同度提升到 99.9% 以上，借此实现了国际上最高保真度的光量子逻辑门，其真值表保真度与纠缠门保真度分别达到 99.84% 和 99.69%。

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另据悉，该工作还实现了高精度里德堡“超级原子态”操控。高质量的单光子源、以及高保真度的光量子逻辑门，可为一些潜在的量子应用开辟新道路。

图 | 基于里德堡原子的光量子信息处理（来源：Nature Communications）

未来，在利用高精细度光学共振腔去进一步提高单光子产生效率、以及量子逻辑门效率之后，这一系统即可用于构建簇态，从而推动全光量子计算的发展。

同时，也可将其作为量子通信的全光量子中继器，或是结合里德堡原子-光子量子交互模块来实现分布式的量子系统。

图 | 里德堡原子量子计算阵列（来源：课题组）

解决光量子计算的重要问题之一

据介绍，单光子是一种重要的量子信息载体，不仅具有丰富的编码自由度和极高的传播速度，还因几乎不与环境耦合而具备极其稳定的性质，这使得单光子在量子通信、量子计算等领域持续得到广泛关注。

诸多重要量子应用都需要近乎完美的单光子，但在实验上制备高质量的单光子源可谓极其困难。另一个给实际应用带来限制的问题是，由于光子与光子之间几乎不存在相互作用，要想构建两个单光子之间的高保真度关联亦是极具挑战。

20 多年前，三位国外物理学家伊曼纽尔·克尼尔（Emanuel Knill）、雷蒙·拉弗拉姆（Raymond Laflamme）、杰拉德·J·米尔本（Gerard James Milburn）提出：利用单光子之间的量子干涉效应，再加上后选择探测的手段，就能在单光子之间引入相互作用，并基于此发展出可用于全光量子计算的 KLM 方案。

但是，这一量子干涉的方案高度依赖于单光子的全同度，而纯度低的单光子也会导致该方案的保真度下降，这些都会限制光学系统中两比特逻辑门操作的保真度。

因此。如何获得同时具有高纯度与高全同度的单光子源，来提高两比特光量子逻辑门的保真度，成为光量子计算的重要问题之一。

对于这一问题，李霖课题组进行了研究，最终取得了前面提到的成果。对于相关论文，评审专家表示：“这个工作十分出色，据我所知，这一里德堡单光子的纯度和全同度的结果是最高的”。

近日，相关论文以《基于近优里德堡单光子源的高保真光子量子逻辑门》（High-fidelity photonic quantum logic gate based on near-optimal Rydberg single-photon source）为题发表在 Nature Communications 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

施帅博士、博士生徐彪、以及博士生叶根生等担任共同作者，李霖教授担任共同通讯作者，同学院的粟待钦副教授为共同一作兼共同通讯、张宽副教授为共同作者。

图 | 课题组部分成员合影（来源：资料图）

打造高质量单光子源和高保真度光量子逻辑门

据悉，李霖教授于 2018 年在华中科技大学组建里德堡原子研究团队，主要从事基于里德堡原子的量子信息与精密测量研究。

他介绍称：“里德堡原子是一类特殊的巨型原子，它的最外层电子处于高激发态，其运动轨道比普通的核外电子大成千上万倍，甚至超过了一些简单生物体的大小，可以达到微米级别。”

这也使得里德堡原子具备一些特殊性质，比如里德堡原子之间具有长距离、且可控的相互作用，这也是其有望实现高保真度量子操控的原因之一。

2012 年，利用里德堡的相互作用，李霖教授曾与当时的同事在实验中，观测到半个多世纪以前被预言的重要量子现象——“多体拉比振荡”，这意味着可以产生成百上千个原子的量子关联，形成仅有单个里德堡激发的“超级原子态”。

而单光子源的质量常常由其纯度和全同度来衡量，这也是高保真度光量子逻辑门实现的必要条件。因此，如何产生这样的高质量单光子是一个关键问题。

事实上，利用里德堡相互作用，肯定可以制备出里德堡“超级原子态”，而后通过量子态相干转化就能产生单光子，这便确保了单光子源中几乎不存在多光子分量。

同时，里德堡原子的能级结构决定了其辐射出的单光子具有良好的单色性，这也是单光子源全同度的重要保障。基于此，课题组开始制定实验规划，以期实现基于里德堡原子的高质量单光子源。

图 | 里德堡单光子源及量子逻辑门实验原理（来源：Nature Communications）

据了解，整个实验工作大致分为三个阶段。

第一阶段是里德堡原子实验平台的设计与搭建，初期的设计主要基于李霖教授在里德堡原子系统领域的研究经验，博士后施帅、以及两位博士生徐彪和叶根生，负责实验系统的具体搭建。

整个系统包括真空系统、电路系统、软件控制系统、激光光路系统等，从正式开工到初步完成搭建，大约耗时一年半左右。最终，他们成功搭建了里德堡原子实验装置，并实现了里德堡“超级原子”高精度制备与调控。

第二阶段是高质量单光子源的制备。要知道，即使实现了里德堡“超级原子”，如何产生高效且优质的单光子，仍然面临着诸多问题。

徐彪和叶根生这两位博士生提到：“里德堡原子非常大，因此有可能与周围的基态原子产生相互作用，从而产生额外的退相干。这一效应往往与能级高低及原子密度关联，高能级和高密度会使该退相干效应更严重，而低能级和低密度则会导致阻塞效应减弱及光子辐射定向性差。因此，我们需要精确地平衡两者。”

此外，他们还在实验中观察到：附着在腔壁上的原子会产生随机背景电场，从而扰动里德堡原子能级，进而导致单光子全同性的下降。

后来，他们通过紫外光来电离这部分原子，成功解决了这一问题。在克服了诸多类似的难题后，该团队将单光子的纯度和全同度同时提升至 99.9% 以上。

第三阶段是实现高保真度光量子逻辑门。通过分析，张宽和粟待钦这两位老师指出：以 KLM 方案实现光学两比特受控非门为例，保真度要想达到 99% 以上，单光子源的 g(2)(0) 不能高于 7×10-3，全同度不能低于 99%。

虽然单光子源的质量已经达到需求，但是保真度达到这个量级，很多实验细节都会给量子逻辑门操作带来误差。

例如在该方案中，需要精确控制两个光子的量子干涉振幅，但传统的分光器件难以保证这一点，分光比误差将直接限制门保真度的上限。

后来，博士后施帅发现有些双色镜只对于特定偏振有效果，调节其入射角便可改变分光比。这也让他另辟蹊径地找到了连续调节干涉振幅的方法，实现了高保真度的量子逻辑门。

此外，博士生徐彪和叶根生补充称：“即使有老师和师兄们的指导，整个实验对我们来说还是充满了探索。”

例如，实验时由于囚禁原子的激光，会产生非均匀的原子能级移动，这会导致不同位置的原子跃迁频率不同。所以在实验阶段会将该势阱关闭，但这会引起原子的丢失，并且降低光子产生率。

为解决这一难题，他们研究了魔术光势阱，让原子基态和里德堡态所感受到的能级移动是处处相同的，借此高效地“囚禁”里德堡原子，从而实现单光子产生率的数量级提高。

该团队表示：“实验成功离不开大家的投入，更离不开对于实验细节的『较真』。”为了提高光量子逻辑门的保真度，课题组做了大量计算分析，寻找可能会引起保真度下降的原因，并逐项排查实验细节。

例如，大家一起从时间模式、空间模式、频率模式等方面，去压制可能引入的光子噪声，并研究不同时间段光子脉冲上的全同性质，以及精确控制干涉光路中的干涉分量和补偿分量等。最终，实验结果也没有“辜负”众人的期待。

图 | 李霖（来源：李霖）

除此之外，课题组还搭建了能构型可任意编程的里德堡阵列量子计算系统。李霖教授表示：“后续我们计划结合里德堡原子阵列系统和光学腔，利用原子阵列实现局域量子计算模块，并结合高质量单光子及高保真度量子逻辑门，来构建分布式里德堡量子计算系统。”

参考资料：

1.Shi, S., Xu, B., Zhang, K. et al. High-fidelity photonic quantum logic gate based on near-optimal Rydberg single-photon source. Nat Commun 13, 4454 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32083-9

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