从中国南开大学、到美国佐治亚理工大学和密歇根大学，再到德国马克思-普朗克量子光学研究所......2018 年，在欧美留学 8 年之久的李霖，加入华中科技大学物理学院引力中心担任教授，专攻基于里德堡原子的量子物理与精密测量。

图 | 李霖（来源：李霖）

就在不久前，他和团队利用里德堡原子，实现了确定性的量子纠缠过滤器。该器件可以从含有大量噪声的低保真度输入态中，提取保真度高达 99% 以上的量子纠缠。

这项方案具有较好的通用性，并不仅仅局限于里德堡原子系统，故能为分布式量子信息处理和多光子量子光学等领域提供新的研究思路。

图 | 部分研究人员合影（来源：课题组）

除此之外，本次实验方案及理论模型，让基于里德堡原子的量子调控手段得到拓展，为探索无序相互作用下的新颖多体量子动力学过程提供了又一途径。

研究中，为了从含有大量噪声的低保真度输入态中提取量子纠缠，课题组将偏振-路径量子比特编码与里德堡量子存储技术进行巧妙结合，从而将输入的两光子态转为里德堡超原子态。

在该方案中，目标纠缠态会被转化至无退相干子空间，借此获得更多的保护，并能免遭德堡阻塞效应的影响。

图 | 里德堡纠缠过滤器实验方案示意图（来源：Nature Photonics）

而噪声态中的两个光子，会输入至同一个里德堡系综，从而被里德堡阻塞效应所滤除。

利用里德堡纠缠过滤器，课题组展示了如下功能：从任意低保真度的输入态中，都能将高保真度的纠缠态过滤出来。

该团队的徐彪是本次研究的主要参与者之一。他说：“关于里德堡纠缠过滤器这一实验想法，在李老师回国建组之时就已初具雏形，不过对于我们而言，第一步还是得脚踏实地搭建起属于自己的里德堡量子实验平台，在此之上才能开展后续研究。”

2023 年 4 月，相关论文以《基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器》（A photonic entanglement filter with Rydberg atoms）为题，发在 Nature Photonics 上 [1]，叶根生、徐彪、以及北京自动化控制设备研究所常越研究员是共同一作，李霖担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Photonics）

尽管历经疫情、仪器设备禁售等不可抗力，他们仍然在不到两年时间内，成功搭建了里德堡量子实验系统，并于 2022 年在 Nature Communications 发表了该系列研究的第一篇论文（和本次论文是姊妹篇）。

“2022 年发表的论文，意味着我们在里德堡原子领域已经具备前沿水平的量子操控技术。基于此，李老师带着我们进一步地实现了量子纠缠过滤器。”徐彪说。

图 | 里德堡原子量子纠缠实验装置（来源：课题组）

基于纠缠的分布式量子技术亟待新突破

据了解，近年来基于里德堡原子的量子物理研究发展十分迅速。而该团队主要专注于利用里德堡原子，开展量子信息处理和量子精密测量的前沿研究。

课题组的研究重点之一，便是利用里德堡原子在光子-光子之间引入相互作用，从而实现高效的量子操控，进而开发全新的光量子信息器件。

量子纠缠是量子力学中的一种重要现象，爱因斯坦将其称为“鬼魅般的超距作用”。以两粒子的贝尔纠缠态为例，当对其中一个粒子进行测量时，另一个粒子根据测量结果也会塌缩到特的状态，这种特殊的关联便被称为量子纠缠。

由于这一奇特的性质，量子纠缠被视为最核心的量子资源之一，也是第二次量子革命的重要基石。

近几十年来，针对量子纠缠学界已经开展过大量研究，推动了量子通信、量子计算及量子精密测量等量子应用的迅速发展。

2022 年，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国物理学家约翰·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）三位学者，凭借在光量子纠缠、以及量子信息上的贡献荣获诺贝尔物理学奖。

然而，在实际的量子应用中，纠缠态制备的不完美或是传输过程中引入的噪声，都会降低纠缠态的保真度，制约着基于纠缠的分布式量子技术的发展。

而利用量子逻辑门制备高保真度纠缠态，或是利用纠缠过滤器等量子器件来提高纠缠保真度，则有望解决这一难题。

“变废为宝”：利用退相干实现基于量子耗散的纠缠态操控

据本次论文共同一作叶根生回忆：“从含有大量噪声的输入态中提取高保真度的量子纠缠，就像大海捞针一样。”

一开始的实验并不顺利，保真度一度被限制在 90% 左右。尽管这一结果相比传统实验方案已有很大的进步，但是李霖并不满意，他说：“除非是受限于物理原因无法提升保真度，不然没有理由接受这一结果。原子和光子不会‘说谎’，如果理论预测可以做到接近 100%，而我们却没有达到，那一定是做得还不够好。”

经过一番细致研究，他们终于提升了里德堡相互作用调控能力，优化了量子比特转化方案，也让背景噪声得到抑制，最终将纠缠保真度成功提升至 99% 以上。

另据悉，在研究里德堡无序相互作用引起的退相干效应时，一开始对于整个物理图像他们总是有种雾里看花的感觉。

在量子信息研究中，退相干通常是一种需要极力规避的负面效应，因为破坏量子态的相干性会导致保真度的下降。

但在这项工作中，他们利用退相干来实现纠缠过滤器：即将噪声双光子态转化为两个邻近的里德堡超原子。

这时，超原子之间的无序相互作用会引发退相干，从而在辐射过程中产生噪声态的耗散。

但是，目标纠缠态被保护至无退相干子空间，并不会受到量子耗散的影响。为此，李霖邀请北京自动化控制设备研究所的常越研究员和石弢研究员，来探索这一复杂的物理过程。

为了找到合适的理论模型，双方反复交流讨论，最终提出了纠缠态演化的理论模型。

后来，他们利用两个较低的里德堡激发态来产生无序相互作用，借此成功观测这一现象：随着量子耗散过程的推进，输出态的纠缠保真度也会逐步提高。

图 | 利用里德堡量子耗散实现纠缠（来源：Nature Photonics）

这一实验结果与理论模拟高度相符，也让模型的准确性得以验证。同时，这也是对理论研究者和实验研究者之间默契配合的最佳肯定。

凭借这一新颖的实验方案，他们将退相干“变废为宝”。同时，该方案不再依赖里德堡阻塞效应，只需很低的里德堡激发态就能实现纠缠操作，并且具有很高的鲁棒性。

据介绍，目前大部分基于里德堡原子的量子操作都依赖于高激发态，这是因为越高的里德堡激发态的相互作用越强，也越容易实现阻塞效应。

但是，高激发的里德堡态对外界环境极为敏感，很容易因外界的电磁场、原子相互作用等因素产生损失或退相干。

因此，李霖在多年以前就开始思考，如何用较低的里德堡态实现高效量子操作。而如今，这一想法终于通过本工作得以实现。

那么，针对这一问题是否有其它解决方案？以及相比其它策略，里德堡纠缠过滤器有着怎样的优势？

据介绍，光子作为一种重要的量子比特，具有丰富的编码自由度以及极高的传播速度，这使得光量子纠缠态成为分发量子信息、建立远程量子纠缠的绝佳资源，因而受诸多量子应用青睐。

然而，由于光子之间几乎没有相互作用，制备或操控光量子纠缠态也变得极为困难，这也成为光量子器件发展中的关键和难点之一。

里德堡原子是高激发态的“巨型”原子，其波函数可达微米尺度。因此有着诸多优异的性质，例如对电磁场极为敏感、存在强大且可控的相互作用、与光子之间的良好交互能力等。

据介绍，里德堡原子有望在量子计算、量子光学和精密测量等方向开拓新的赛道。同时，里德堡原子这一年轻的领域也面临着来自理论、实验、技术等方面的诸多挑战。

因此该团队的下一个目标是：探索新的量子操控方法、新的技术手段以及新的研究思路，从而推动基于里德堡原子的量子物理研究。

参考资料：

1.Ye, GS., Xu, B., Chang, Y.et al. A photonic entanglement filter with Rydberg atoms. Nat. Photon. (2023).