華中科技大學實現世界最高保真度的光量子邏輯門

近日，《自然·通訊》雜志在線發表了華中科技大學物理學院引力中心李霖教授課題組題為“High-fidelity photonic quantum logic gate based on near-optimal Rydberg single-photon source”的重要研究成果。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

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的要求，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。華中科技大學李霖教授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