我國研究的單光子源有望為量子應用開辟新前景

8月1日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表了華中科技大學物理學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提升至99.9%以上，并利用該單光子源實現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等重要量子應用開辟新的前景。

光量子邏輯門概念圖   華中科技大學供圖

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應用對單光子的質量有著極高要求，例如，為滿足全光量子中繼器和簇態光量子計算等應用，單光子的純度必須達到99.9%以上，并且全同度要大于99%。過去的幾十年中，人們發展了不同的物理系統來產生單光子，盡管單光子的質量得到了大幅提升，但實現同時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展，里德堡原子之間極強且可控的相互作用，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展基于里德堡原子的量子信息處理和精密測量技術，經過課題組數年如一日的努力，成功搭建了基于里德堡原子的量子物理實驗平臺。

本研究中，課題組利用里德堡原子之間的相互作用實現了超級原子量子態的高精度激發與操控，并基于此制備了純度達99.95%和全同度達99.94%的高質量單光子源。

單光子源的制備與量子邏輯門實驗示意圖   華中科技大學供圖

課題組也進行了重要的單光子源應用研究——光量子邏輯門。量子邏輯門是量子計算等重要應用的核心單元，其保真度直接影響著量子系統的可擴展性。在現有的量子比特中，光子是長距離傳輸量子信息的最佳載體，因此實現高保真度的光量子信息處理對于構建大規模量子網絡，分布式量子計算至關重要。國外學者曾于2001年提出，利用量子干涉和投影測量可以實現光子-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量。要基于該方案實現保真度大于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%。這些嚴苛的指標使得保真度大于99%的光量子邏輯門至今未被實現。

在本研究中，課題組利用高質量的里德堡單光子源展示了近乎完美的雙光子量子干涉，將其應用到基于KLM方案的光量子邏輯門實驗中，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，課題組進一步展示了在兩個無關聯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行了量子糾纏測量，其糾纏門保真度達到了99.69%。相比于之前的同類實驗結果，本項研究將光量子邏輯門的誤差(失真度)降低了一個數量級以上。

該研究將助力于全光量子信息處理的發展，其中高質量單光子源及高保真度量子邏輯門可用于制備簇態等重要的多光子糾纏態，并以此構建具有容錯功能的光量子計算系統。為進一步提高可糾纏的光子數目，課題組還將探索里德堡原子與高精細度共振腔耦合的全新方案以提升光量子態產生效率。此外，里德堡原子也是量子計算的絕佳平臺之一，利用其極好的光-物質量子交互能力，該研究實現的高質量光量子態可以將多個里德堡量子節點相連接，有望構建具有更高可擴展性的量子計算網絡。課題組在該研究中還發展了高精度里德堡原子調控技術，為將來進行基于里德堡原子的量子精密測量奠定了基礎。