中國科大實現基于里德堡超原子的多光子糾纏

近日，中國科學技術大學潘建偉、包小輝等，將里德堡相互作用與高效單光子接口技術相結合，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用奠定基礎。相關研究成果于8月11日發表在《自然·光子學》上。

多光子糾纏在量子計算、量子通信以及量子精密測量中有重要應用。以往多光子糾纏的主要制備方式是采用非線性晶體內的參量下轉換過程。然而參量過程中，光子是概率產生的，導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點，順序生成多個關聯單光子是制備多光子糾纏的另一重要途徑。該方案非常節省實驗資源，并且在原理上具有更高的可拓展性。

以往實驗已在量子點等體系實現該方案的原理性演示，然而在光子數的可拓展性上并未超越傳統參量下轉換實驗。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，原子系綜變為一個超原子，使得確定性的量子態操控成為可能。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點，在光子接口、糾纏制備等方面具有優勢。

圖：實驗方案示意圖

為實現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展了超原子與光腔的耦合技術[Optica 9, 853 (2022)]，為里德堡超原子構建了高效單光子接口，最高單光子輸出率已達44%。以此為基礎，研究組利用兩個里德堡態間的相互作用，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%，優于以往多光子糾纏實驗。

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勢，為后續生成更多光子糾纏并應用于單向量子中繼以及單向量子計算等任務奠定了基礎。

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、國家自然科學基金委、合肥國家實驗室等的支持。