撰稿：叶根生、徐彪（华中科技大学）
本文由论文作者团队（课题组）投稿
量子纠缠是量子世界中最为神秘的现象之一，当两个或多个微观粒子发生纠缠时，它们之间会形成一种特殊关联，这种关联不受距离限制，可以瞬时影响粒子状态。从爱因斯坦将其描述为“鬼魅般的超距作用”以来，人们一直致力于探索和利用这一量子现象。2022年，诺贝尔物理学奖也因此授予给Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger，以表彰他们在探究光量子纠缠本质及开创量子信息科学方面的贡献。
光量子纠缠态是传递量子信息最重要的资源之一，它利用光子属性（如偏振、模式等）进行量子信息编码，并利用量子纠缠的特性将光子相互关联。目前，光量子纠缠态已经广泛应用于量子信息处理、量子通讯和量子密码学等领域。同时，这些先进的量子应用也不断为保真度设立新的严格指标以满足日益复杂的需求。然而，纠缠态制备过程中的不完美和传输过程中引入的噪声都会导致保真度降低。因此发展能确定性提升纠缠态保真度的量子器件是重要问题之一。
光量子纠缠过滤器是一种能够从低保真度输入态中滤除噪声并保护纠缠的量子器件，它是应对上述纠缠保真度降低难题的解决方案之一。然而，由于光子之间的相互作用十分微弱，要实现可控的光量子态操控（如纠缠过滤）仍是一个极具挑战性的问题。因此，如何实现确定性、可调控的光子-光子相互作用一直是过去几十年来的研究焦点之一。
近日，来自华中科技大学的李霖课题组首次实现了基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器，能够高效保护量子纠缠态并滤除噪声光子态。课题组还展示了从极低保真度的输入态中提取近乎完美的量子纠缠的能力，并有望在分布式量子信息处理和多光子量子光学等前沿量子科技领域产生重要应用。
该研究成果发表于Nature Photonics，题为“A photonic entanglement filter with Rydberg atoms”。华中科技大学物理学院博士生叶根生、徐彪，博士后施帅以及北京自动化控制设备研究所的常越研究员为该工作共同第一作者，华中科技大学李霖教授为通讯作者。主要合作者还包括中科院理论物理研究所的石弢研究员。
基于偏振选择的光子间相互作用调控构建全新光量子器件
光子是一种重要的量子信息载体，具备多样的编码自由度和高速的传播速度，同时，其几乎不与环境发生相互作用的稳定性质，使得单光子在量子通信、量子计算等领域持续受到广泛的关注。然而，也因为光子之间缺乏相互作用，导致实现可控、确定性的光量子操控变得十分困难。
近年来，基于里德堡原子的量子物理研究发展迅速。里德堡原子之间强而可控的相互作用以及与光子间良好的交互能力，为实现光子-光子间的高效量子操控提供了新的可能。里德堡原子是一种特殊的巨型原子，其最外层电子处在高激发态上，具有相互作用距离长、相互作用强度高等特点。
目前, 利用这种可控、确定性的量子操控技术,里德堡原子在实现确定性的光量子操作和光量子器件方面展现出了巨大的潜力，例如基于里德堡原子的单光子源、光量子逻辑门、多光子纠缠态以及光二级管等。
在本项研究工作中，研究团队利用两个里德堡原子系综进行具有偏振选择的光子态-里德堡原子态相干转化，将目标纠缠态转化至无退相干子空间进行保护；同时，利用里德堡相互作用将其余的噪声态滤除。基于这种具有偏振选择的光子间相互作用调控，研究人员构建了全新的光量子纠缠过滤器，并由此从含有大量噪声的低保真度输入态中提取出近乎完美保真度达的双光子纠缠态。
这一方案的优势在于可从极大的噪声中提取出近乎完美的量子纠缠。即使输入态中仅含有7%的纠缠态（初始保真度为7%），里德堡纠缠过滤器仍然能将纠缠态保真度提升至99%以上。
该项工作的另一重要创新在于，实验中利用里德堡相互作用引起的退相干效应，扩展了方案的适用范围。这使得即使在里德堡相互作用较弱的情况下，也能够实现提取高保真度的双光子纠缠态。
一般来说，退相干效应会导致量子相干性的消失，从而影响量子操作的保真度，因此需要极力避免。在该工作中，课题组创造性地利用了里德堡相互作用无序性引起的退相干效应将噪声双光子态滤除；而将目标纠缠态转化至无退相干子空间保护起来，不受里德堡退相干效应影响。
在过去的十余年间，虽然人们已经观测到里德堡相互作用无序性引起的退相干效应。但是对这一效应的实验研究和理论分析仍有待深入探索。
为了理解并驾驭这一复杂的量子演化过程，课题组与北京自动化控制设备研究所的常越研究员、中科院理论物理研究所的石弢研究员进行合作，开发了里德堡相互作用下的退相干演化模型，其理论模拟结果与实验数据高度契合。这一新方法拓展了基于里德堡原子的量子调控手段，使得利用低里德堡激发态来制备量子纠缠成为了可能。
这项成果不但填补了确定性量子纠缠过滤器的空白，还为可扩展的多光子量子光学研究以及里德堡多体量子物理研究提供了新的思路。例如，通过提升里德堡原子系综的规模，可进行多光子的量子并行操作，高效制备薛定谔猫态等多光子纠缠态；通过引入里德堡相互作用的无序性及退相干，进一步探索无序相互作用下的新颖多体动力学过程。
在后续研究中，课题组还将聚焦于里德堡原子的高精度操控、里德堡原子-光子的高强度耦合等重要技术，探索基于里德堡原子的精密测量、量子计算和量子模拟。
论文信息
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
