如何从噪声中提取完美量子纠缠？

华中科技大学物理学院的李霖教授课题组在《自然·光子学》杂志上发表了一项突破性研究，首次利用里德堡原子成功构建了光量子纠缠过滤器。这项技术能够从含有大量噪声的低保真度输入态中，提取出保真度高达99%以上的双光子纠缠态，为量子通信和量子计算等前沿领域提供了新的解决方案。

量子纠缠，被爱因斯坦形容为“鬼魅般的超距作用”，是量子力学中最为神奇的现象之一。它允许两个或多个微观粒子之间形成一种不受距离限制的特殊关联。李霖教授指出，光量子纠缠态是传播量子信息的关键资源，而实现其高效操控对于远距离量子通信和分布式量子计算至关重要。

然而，光子之间几乎不发生相互作用，使得确定性的光量子态操控成为一大挑战。里德堡原子的量子物理研究为这一难题提供了新的解决途径，它们之间的强相互作用和与光子的良好交互能力，为光子间的高效量子操控开辟了新的可能性。

李霖课题组通过长期研究，基于里德堡原子实现了不同偏振光子间的相互作用调控，构建了全新的光量子纠缠过滤器。他们利用两个里德堡原子系综进行偏振选择的光子态-里德堡原子态相干转化，将目标纠缠态保护在无退相干子空间中，同时利用里德堡相互作用滤除噪声态。

这项研究的另一创新之处在于，课题组巧妙地利用了通常被视为不利因素的退相干效应。他们将噪声双光子态转化为里德堡激发态，并通过无序相互作用引发的退相干效应剔除噪声，实现了量子纠缠的过滤。这一过程中，输出态的纠缠保真度逐渐达到完美。

为了理解这一复杂的量子演化过程，课题组与北京自动化控制设备研究所和中科院理论物理研究所的研究人员合作，开发了里德堡相互作用下的退相干演化模型，其理论模拟结果与实验数据高度一致。这一新方法不仅填补了确定性量子纠缠过滤器的空白，还为多光子量子光学和里德堡多体量子物理研究提供了新思路。

李霖教授表示，课题组将继续探索里德堡原子的高精度操控和里德堡原子-光子的高强度耦合技术，以推动基于里德堡原子的精密测量、量子计算和量子模拟的发展。