我国研究的单光子源有望为量子应用开辟新前景

8月1日，《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了华中科技大学物理学院引力中心教授李霖课题组的研究成果。该工作首次将里德堡单光子源的纯度和全同度同时提升至99.9%以上，并利用该单光子源实现了国际上最高保真度的光量子逻辑门。该研究成果有望为光量子信息处理和分布式光量子系统等重要量子应用开辟新的前景。

光量子逻辑门概念图   华中科技大学供图

单光子源是量子信息和精密测量研究所需的核心量子资源之一。很多重要的量子光学应用对单光子的质量有着极高要求，例如，为满足全光量子中继器和簇态光量子计算等应用，单光子的纯度必须达到99.9%以上，并且全同度要大于99%。过去的几十年中，人们发展了不同的物理系统来产生单光子，尽管单光子的质量得到了大幅提升，但实现同时满足高纯度和高全同度的单光子源仍是一大难题。

近年来，基于里德堡原子的量子物理研究取得了迅速的发展，里德堡原子之间极强且可控的相互作用，为单光子层面的高效量子操控提供了全新的可能性。李霖课题组长期致力于发展基于里德堡原子的量子信息处理和精密测量技术，经过课题组数年如一日的努力，成功搭建了基于里德堡原子的量子物理实验平台。

本研究中，课题组利用里德堡原子之间的相互作用实现了超级原子量子态的高精度激发与操控，并基于此制备了纯度达99.95%和全同度达99.94%的高质量单光子源。

单光子源的制备与量子逻辑门实验示意图   华中科技大学供图

课题组也进行了重要的单光子源应用研究——光量子逻辑门。量子逻辑门是量子计算等重要应用的核心单元，其保真度直接影响着量子系统的可扩展性。在现有的量子比特中，光子是长距离传输量子信息的最佳载体，因此实现高保真度的光量子信息处理对于构建大规模量子网络，分布式量子计算至关重要。国外学者曾于2001年提出，利用量子干涉和投影测量可以实现光子-光子量子逻辑门，但该方案中，光量子逻辑门的保真度受限于单光子源的质量。要基于该方案实现保真度大于99%的量子逻辑门，单光子的纯度必须大于99.3%，且全同度要大于99%。这些严苛的指标使得保真度大于99%的光量子逻辑门至今未被实现。

在本研究中，课题组利用高质量的里德堡单光子源展示了近乎完美的双光子量子干涉，将其应用到基于KLM方案的光量子逻辑门实验中，并成功地将真值表保真度提高到了99.84%。利用该高保真度的光量子逻辑门，课题组进一步展示了在两个无关联的单光子之间建立量子纠缠，并通过量子层析及贝尔不等式等方式进行了量子纠缠测量，其纠缠门保真度达到了99.69%。相比于之前的同类实验结果，本项研究将光量子逻辑门的误差(失真度)降低了一个数量级以上。

该研究将助力于全光量子信息处理的发展，其中高质量单光子源及高保真度量子逻辑门可用于制备簇态等重要的多光子纠缠态，并以此构建具有容错功能的光量子计算系统。为进一步提高可纠缠的光子数目，课题组还将探索里德堡原子与高精细度共振腔耦合的全新方案以提升光量子态产生效率。此外，里德堡原子也是量子计算的绝佳平台之一，利用其极好的光-物质量子交互能力，该研究实现的高质量光量子态可以将多个里德堡量子节点相连接，有望构建具有更高可扩展性的量子计算网络。课题组在该研究中还发展了高精度里德堡原子调控技术，为将来进行基于里德堡原子的量子精密测量奠定了基础。