从我国南开大学、到美国佐治亚理工大学和密歇根大学,再到德国马克思-普朗克量子光学研讨所......2018 年,在欧美留学 8 年之久的李霖,参加华中科技大学物理学院引力中心担任教授,专攻依据里德堡原子的量子物理与精细丈量。
就在不久前,他和团队使用里德堡原子,完成了确定性的量子羁绊过滤器。该器材能够从含有很多噪声的低保真度输入态中,提取保线% 以上的量子羁绊。
这项计划具有较好的通用性,并不只是局限于里德堡原子体系,故能为分布式量子信息处理和多光子量子光学等范畴供给新的研讨思路。
除此之外,本次试验计划及理论模型,让依据里德堡原子的量子调控手法得到拓宽,为探究无序相互作用下的新颖多体量子动力学进程供给了又一途径。
研讨中,为了从含有很多噪声的低保真度输入态中提取量子羁绊,课题组将偏振-途径量子比特编码与里德堡量子存储技能进行奇妙结合,然后将输入的两光子态转为里德堡超原子态。
在该计划中,方针羁绊态会被转化至无退相干子空间,借此取得更多的维护,并能免遭德堡堵塞效应的影响。
图 里德堡羁绊过滤器试验计划示意图(来历:Nature Photonics)
而噪声态中的两个光子,会输入至同一个里德堡系综,然后被里德堡堵塞效应所滤除。
使用里德堡羁绊过滤器,课题组展现了如下功用:从恣意低保真度的输入态中,都能将高保真度的羁绊态过滤出来。
该团队的徐彪是本次研讨的首要参与者之一。他说:“关于里德堡羁绊过滤器这一试验主意,在李老师回国建组之时就已初具雏形,不过关于咱们而言,第一步仍是得兢兢业业搭建起归于自己的里德堡量子试验渠道,在此之上才干展开后续研讨。”
虽然历经疫情、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试验体系,并于 2022 年在 Nature Communications 宣布了该系列研讨的第一篇论文(和本次论文是姊妹篇)。
“2022 年宣布的论文,意味着咱们在里德堡原子范畴现已具有前沿水平的量子控制技能。依据此,李老师带着咱们进一步地完成了量子羁绊过滤器。”徐彪说。
据了解,近年来依据里德堡原子的量子物理研讨展开十分迅速。而该团队首要专心于使用里德堡原子,展开量子信息处理和量子精细丈量的前沿研讨。
课题组的研讨要点之一,就是使用里德堡原子在光子-光子之间引进相互作用,然后完成高效的量子控制,然后开发全新的光量子信息器材。
量子羁绊是量子力学中的一种重要现象,爱因斯坦将其称为“鬼怪般的超距作用”。以两粒子的贝尔羁绊态为例,当对其间一个粒子进行丈量时,另一个粒子依据丈量成果也会塌缩到特的状况,这种特别的相关便被称为量子羁绊。
因为这一独特的性质,量子羁绊被视为最中心的量子资源之一,也是第2次量子革新的重要柱石。
近几十年来,针对量子羁绊学界现已展开过很多研讨,推进了量子通讯、量子核算及量子精细丈量等量子使用的迅速展开。
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,凭仗在光量子羁绊、以及量子信息上的奉献荣获诺贝尔物理学奖。
可是,在实践的量子使用中,羁绊态制备的不完美或是传输进程中引进的噪声,都会下降羁绊态的保真度,限制着依据羁绊的分布式量子技能的展开。
而使用量子逻辑门制备高保真度羁绊态,或是使用羁绊过滤器等量子器材来前进羁绊保真度,则有望处理这一难题。
据本次论文一起一作叶根生回想:“从含有很多噪声的输入态中提取高保真度的量子羁绊,就像难如登天相同。”
一开端的试验并不顺畅,保线% 左右。虽然这一成果比较传统试验计划已有很大的前进,可是李霖并不满足,他说:“除非是受限于物理原因无法提高保真度,否则没有理由承受这一成果。原子和光子不会‘扯谎’,假如理论猜测能够做到挨近 100%,而咱们却没有到达,那一定是做得还不够好。”
经过一番详尽研讨,他们总算提高了里德堡相互作用调控才能,优化了量子比特转化计划,也让背景噪声得到按捺,终究将羁绊保线% 以上。
另据悉,在研讨里德堡无序相互作用引起的退相干效应时,一开端关于整个物理图画他们总是有种水中望月的感觉。
在量子信息研讨中,退相干通常是一种需求竭力躲避的负面效应,因为损坏量子态的相干性会导致保真度的下降。
但在这项作业中,他们使用退相干来完成羁绊过滤器:行将噪声双光子态转化为两个附近的里德堡超原子。
这时,超原子之间的无序相互作用会引发退相干,然后在辐射进程中发生噪声态的耗散。
可是,方针羁绊态被维护至无退相干子空间,并不会遭到量子耗散的影响。为此,李霖约请北京自动化控制设备研讨所的常越研讨员和石弢研讨员,来探究这一杂乱的物理进程。
为了找到适宜的理论模型,两边重复沟通评论,终究提出了羁绊态演化的理论模型。
后来,他们使用两个较低的里德堡激起态来发生无序相互作用,借此成功观测这一现象:跟着量子耗散进程的推进,输出态的羁绊保真度也会逐步前进。
图 使用里德堡量子耗散完成羁绊(来历:Nature Photonics)
这一试验成果与理论模仿高度相符,也让模型的准确性得以验证。一起,这也是对理论研讨者和试验研讨者之间默契合作的最佳必定。
凭仗这一新颖的试验计划,他们将退相干“变废为宝”。一起,该计划不再依靠里德堡堵塞效应,只需很低的里德堡激起态就能完成羁绊操作,而且具有很高的鲁棒性。
据介绍,现在大部分依据里德堡原子的量子操作都依靠于高激起态,这是因为越高的里德堡激起态的相互作用越强,也越简单完成堵塞效应。
可是,高激起的里德堡态对外界环境极为灵敏,很简单因外界的电磁场、原子相互作用等要素发生丢失或退相干。
因而,李霖在多年曾经就开端考虑,如何用较低的里德堡态完成高效量子操作。而现在,这一主意总算经过本作业得以完成。
那么,针对这一问题是否有其它处理计划?以及比较其它战略,里德堡羁绊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,具有丰厚的编码自由度以及极高的传播速度,这使得光量子羁绊态成为分发量子信息、树立长途量子羁绊的绝佳资源,因而受许多量子使用喜爱。
可是,因为光子之间几乎没有相互作用,制备或控制光量子羁绊态也变得极为困难,这也成为光量子器材展开中的要害和难点之一。
里德堡原子是高激起态的“巨型”原子,其波函数可达微米标准。因而有着许多优异的性质,例如对电磁场极为灵敏、存在强壮且可控的相互作用、与光子之间的杰出交互才能等。
据介绍,里德堡原子有望在量子核算、量子光学和精细丈量等方向开辟新的赛道。一起,里德堡原子这一年青的范畴也面临着来自理论、试验、技能等方面的许多应战。
因而该团队的下一个方针是:探究新的量子控制办法、新的技能手法以及新的研讨思路,然后推进依据里德堡原子的量子物理研讨。