近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、包小輝等，將里德堡相互作用與高效單光子接口技術(shù)相結(jié)合，首次成功制備基于里德堡超原子的多光子糾纏，為單向量子中繼等應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于8月11日發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上。

多光子糾纏在量子計(jì)算、量子通信以及量子精密測量中有重要應(yīng)用。以往多光子糾纏的主要制備方式是采用非線性晶體內(nèi)的參量下轉(zhuǎn)換過程。然而參量過程中，光子是概率產(chǎn)生的，導(dǎo)致其向更多光子拓展時亮度下降較快。采用單量子體系的確定性優(yōu)點(diǎn)，順序生成多個關(guān)聯(lián)單光子是制備多光子糾纏的另一重要途徑。該方案非常節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，并且在原理上具有更高的可拓展性。

以往實(shí)驗(yàn)已在量子點(diǎn)等體系實(shí)現(xiàn)該方案的原理性演示，然而在光子數(shù)的可拓展性上并未超越傳統(tǒng)參量下轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。原子系綜是量子存儲的重要物理體系。通過引入里德堡相互作用，原子系綜變?yōu)橐粋€超原子，使得確定性的量子態(tài)操控成為可能。里德堡超原子同時具有單原子體系與原子系綜體系的雙重優(yōu)點(diǎn)，在光子接口、糾纏制備等方面具有優(yōu)勢。

圖：實(shí)驗(yàn)方案示意圖

為實(shí)現(xiàn)基于里德堡超原子的多光子糾纏制備，潘建偉、包小輝研究組近年來發(fā)展了超原子與光腔的耦合技術(shù)[Optica 9, 853 (2022)]，為里德堡超原子構(gòu)建了高效單光子接口，最高單光子輸出率已達(dá)44%。以此為基礎(chǔ)，研究組利用兩個里德堡態(tài)間的相互作用，并采用交替讀出方式[Phys. Rev. Lett. 128, 060502 (2022)]，成功地制備了三至六光子GHZ糾纏，每增加一個光子的概率為27%，優(yōu)于以往多光子糾纏實(shí)驗(yàn)。

該工作演示了里德堡超原子在光子糾纏制備方面的重要優(yōu)勢，為后續(xù)生成更多光子糾纏并應(yīng)用于單向量子中繼以及單向量子計(jì)算等任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

博士生楊朝偉是該論文的第一作者。該工作得到了科技部、安徽省、國家自然科學(xué)基金委、合肥國家實(shí)驗(yàn)室等的支持。