华中科技大学在量子计算领域实现重大突破

武汉晚报 8月4日讯（记者汪洋 通讯员王潇潇）长江日报记者从华中科技大学了解到，近日，《Nature Communications》杂志在线发表了该校物理学院引力中心李霖教授课题组的重要研究成果，首次将里德堡单光子源的纯度和全同度同时提升至99.9%以上，并利用该单光子源实现了国际上最高保真度的光量子逻辑门。该研究成果有望为光量子信息处理和分布式光量子系统等重要量子应用开辟新的前景。

单光子源的制备与量子逻辑门实验示意图。

单光子源是量子信息和精密测量研究所需的核心量子资源之一。很多重要的量子光学应用对单光子的质量有着极高的要求，例如，为满足全光量子中继器和簇态光量子计算等应用，单光子的纯度必须达到99.9%以上，并且全同度要大于99%。过去的几十年中，人们发展了不同的物理系统来产生单光子，尽管单光子的质量得到了大幅提升，但实现同时满足高纯度和高全同度的单光子源仍是一大难题。

光量子逻辑门概念图。

华中科技大学李霖教授课题组长期致力于发展基于里德堡原子的量子信息处理和精密测量技术，经过数年如一日的努力，成功搭建了基于里德堡原子的量子物理实验平台。

里德堡量子光学实验装置。

课题组也进行了重要的单光子源应用研究：光量子逻辑门。量子逻辑门是量子计算等重要应用的核心单元，其保真度直接影响着量子系统的可扩展性。在这个研究中，李霖教授课题组利用高质量的里德堡单光子源展示了近乎完美的双光子量子干涉，将其应用到基于KLM方案的光量子逻辑门实验中，并成功地将真值表保真度提高到了99.84%。

利用该高保真度的光量子逻辑门，课题组进一步展示了在两个无关联的单光子之间建立量子纠缠，并通过量子层析及贝尔不等式等方式进行了量子纠缠测量，其纠缠门保真度达到了99.69%。相比于之前的同类实验结果，这项研究将光量子逻辑门的误差(失真度)降低了一个数量级以上。

据介绍，量子计算机有望在最优组合寻找、新材料设计、大分子性状模拟等诸多经典计算机较难解决的问题上展现极其强大的运算速度和信息处理功能。类似于经典逻辑门对于电子计算机的重要性，量子逻辑门则是构建量子计算机所必须的核心元件之一。

华中科技大学物理学院博士后施帅、博士生徐彪、叶根生和张宽副教授为该工作共同第一作者，李霖教授和粟待钦副教授为共同通讯作者，华中科技大学为第一单位。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委和华中科技大学精密重力测量国家重大科技基础设施的支持。　

【编辑：王戎飞】