利用里德堡原子，华科团队实现可扩展的光量子信息处理

光子盒研究院出品

4月6日，《Nature Photonics》杂志在线发表了华中科技大学物理学院李霖教授课题组题为“A photonic entanglement filter with Rydberg atoms”的重要研究成果。实验中，团队报告了一种新型的纠缠滤波器，为实现具有多个里德堡原子集合的可扩展光量子信息处理开辟了新途径。

能够确定地操纵光子纠缠的设备是最重要的，因为光子是量子信息的理想信使。然而，由于光子的非交互性质，许多光量子操作只用概率性的线性光学方法进行了演示，导致资源开销过大、可扩展性差。

作为量子光子学的关键元素之一，纠缠滤波器(entanglement filter, EF)可以传输所需量子态的纠缠，同时阻断不需要的光子成分的传输。它有大量的潜在应用：包括光子纠缠生成、全光量子信息处理和纠缠提炼。然而，由于迄今为止所有的光子EF协议都是基于线性光学方法，仅以概率方式消除不需要的光子状态，因此其规模和适用性受到限制。

可扩展的量子光子应用将在很大程度上受益于一个理想的EF，它可以确定地去除不希望的状态，不加区分地实现高纠缠保真度，并且不需要额外的光子资源。不幸的是，由于在线性光学方法中缺乏强大的、可控制的光子-光子相互作用，这样一个卓越的EF协议的实现仍然是难以实现的。

在实验中，研究团队通过利用冷里德堡原子组合来调解光子之间的相互作用，证明了上述设想的、具有卓越性能的EF。

实验方案的图解

如图所示，实验利用两个里德堡集合来实现光量子之间的偏振选择性互动。其工作原理是将不需要的光子成分转化为同一原子团中的双里德堡激发，并通过里德堡封锁(Rydberg blockade)或双体耗散(two-body dissipation)所引起的相互作用来实现这些状态的确定性去除。

基于里德堡封锁的EF

上图说明由距离相关的相互作用引起的双体退相干，显示相位匹配的发射（a）和耗散的发射（b）。

通过耗散性量子演化的EF

综上所述，实验团队报告了由里德堡原子实现的一种新型的、可扩展的EF。值得强调的是，尽管该协议是用里德堡原子实现的，但原则上，它适用于任何具有可控量子比特相互作用和矩阵光量子界面的量子系统。

同时，新的EF为一些量子光子应用、研究开辟了新的途径：

1）首先，通过扩展到里德堡集合的阵列，可以实现多光子纠缠的有效生成和操纵，如Dicke态和Greenberger-Horne-Zeilinger态。

2）此外，这一协议不是基于光子-光子干涉，所以量子比特不需要是不可区分的。这一独特的功能允许在具有不同时空轮廓、甚至不同颜色的光子之间进行有效的量子控制，只要它们能够被耦合到适当的原子转变。

3）最后，新的EF也通过利用相互作用引起的双体退相干在耗散制度中取得成功。将这样的方案扩展到相互作用的里德堡激波阵列，可以实现长程相关态的耗散性制备，如维格纳晶体(Wigner crystal)、探索新的多体量子动力学等。

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