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今日?qǐng)?bào)丨他們研究突破的是量子力學(xué)中最神奇的現(xiàn)象……

來源:長(zhǎng)江日?qǐng)?bào) 發(fā)布日期: 2023-04-21 02:19:04

長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)大武漢客戶端4月20日訊(記者陳曉彤 通訊員高翔)華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力中心李霖教授課題組取得重要突破,團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)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)中提取出了近乎完美的量子糾纏。


(資料圖)

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。

基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器概念圖。

據(jù)了解,量子糾纏是量子力學(xué)中最為神奇的現(xiàn)象之一,甚至被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。即當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子發(fā)生糾纏時(shí),它們之間會(huì)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)。而光量子糾纏態(tài)是傳播量子信息最為重要的量子資源之一,利用光量子邏輯門、光糾纏過濾器對(duì)光量子糾纏態(tài)的高效操控,有助于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信、分布式量子計(jì)算及量子精密測(cè)量等重要應(yīng)用。然而,由于光子—光子之間幾乎沒有相互作用,實(shí)現(xiàn)確定性的光量子態(tài)操控是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的難題。

基于里德堡原子的光量子糾纏過濾器實(shí)驗(yàn)示意圖。

近年來,基于里德堡原子的量子物理研究發(fā)展迅速。李霖教授課題組長(zhǎng)期致力于利用里德堡原子開展量子信息處理和精密測(cè)量的前沿研究。在本次工作中,課題組基于里德堡原子,實(shí)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)。

里德堡量子糾纏過濾器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

李霖介紹,量子通信和量子計(jì)算等重要應(yīng)用對(duì)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(huì)導(dǎo)致保真度降低。因此,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,團(tuán)隊(duì)提出了一套全新方案,可從極大的噪聲中提取出近乎完美的量子糾纏,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然能將糾纏態(tài)保真度提升至99%以上。

該項(xiàng)工作的一個(gè)創(chuàng)新之處在于,利用了一種原本被視為“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。李霖表示,通常情況下,退相干會(huì)導(dǎo)致糾纏態(tài)的保真度下降,從而影響量子信息的正確傳輸和處理。因此,人們一般會(huì)想辦法抑制退相干效應(yīng)。而在本工作中,研究人員巧妙地將退相干“變廢為寶”:將噪聲雙光子態(tài)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)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(shí)現(xiàn)量子糾纏過濾。在退相干動(dòng)力學(xué)演化過程中,輸出態(tài)的糾纏保真度逐漸趨于完美。

這項(xiàng)成果不但填補(bǔ)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)研究以及里德堡多體量子物理研究提供了新的思路。據(jù)了解,在后續(xù)研究中,課題組還將聚焦于里德堡原子的高精度操控、里德堡原子—光子的高強(qiáng)度耦合等重要技術(shù),探索基于里德堡原子的精密測(cè)量、量子計(jì)算和量子模擬。

華中科技大學(xué)物理學(xué)院博士生葉根生、徐彪,博士后施帥以及北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所的常越研究員為該成果的共同第一作者,華科大李霖教授為通訊作者,華中科技大學(xué)為第一完成單位。主要合作者還有中科院理論物理研究所的石弢研究員。該工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和華中科技大學(xué)精密重力測(cè)量國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的支持。

【編輯:丁翾】

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