武漢晚報(bào) 8月4日訊（記者汪洋 通訊員王瀟瀟）長江日報(bào)記者從華中科技大學(xué)了解到，近日，《Nature Communications》雜志在線發(fā)表了該校物理學(xué)院引力中心李霖教授課題組的重要研究成果，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(shí)現(xiàn)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(tǒng)等重要量子應(yīng)用開辟新的前景。
單光子源的制備與量子邏輯門實(shí)驗(yàn)示意圖。
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(xué)應(yīng)用對單光子的質(zhì)量有著極高的要求，例如，為滿足全光量子中繼器和簇態(tài)光量子計(jì)算等應(yīng)用，單光子的純度必須達(dá)到99.9%以上，并且全同度要大于99%。過去的幾十年中，人們發(fā)展了不同的物理系統(tǒng)來產(chǎn)生單光子，盡管單光子的質(zhì)量得到了大幅提升，但實(shí)現(xiàn)同時滿足高純度和高全同度的單光子源仍是一大難題。
光量子邏輯門概念圖。
華中科技大學(xué)李霖教授課題組長期致力于發(fā)展基于里德堡原子的量子信息處理和精密測量技術(shù)，經(jīng)過數(shù)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(shí)驗(yàn)平臺。
里德堡量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。
課題組也進(jìn)行了重要的單光子源應(yīng)用研究：光量子邏輯門。量子邏輯門是量子計(jì)算等重要應(yīng)用的核心單元，其保真度直接影響著量子系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。在這個研究中，李霖教授課題組利用高質(zhì)量的里德堡單光子源展示了近乎完美的雙光子量子干涉，將其應(yīng)用到基于KLM方案的光量子邏輯門實(shí)驗(yàn)中，并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。
利用該高保真度的光量子邏輯門，課題組進(jìn)一步展示了在兩個無關(guān)聯(lián)的單光子之間建立量子糾纏，并通過量子層析及貝爾不等式等方式進(jìn)行了量子糾纏測量，其糾纏門保真度達(dá)到了99.69%。相比于之前的同類實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這項(xiàng)研究將光量子邏輯門的誤差(失真度)降低了一個數(shù)量級以上。
據(jù)介紹，量子計(jì)算機(jī)有望在最優(yōu)組合尋找、新材料設(shè)計(jì)、大分子性狀模擬等諸多經(jīng)典計(jì)算機(jī)較難解決的問題上展現(xiàn)極其強(qiáng)大的運(yùn)算速度和信息處理功能。類似于經(jīng)典邏輯門對于電子計(jì)算機(jī)的重要性，量子邏輯門則是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)所必須的核心元件之一。
華中科技大學(xué)物理學(xué)院博士后施帥、博士生徐彪、葉根生和張寬副教授為該工作共同第一作者，李霖教授和粟待欽副教授為共同通訊作者，華中科技大學(xué)為第一單位。該工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委和華中科技大學(xué)精密重力測量國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的支持?！?/p>
【編輯：王戎飛】
