这项突破的核心在于一种名为反奇偶校验时间(APT)对称性的理论物理学概念的应用。

美国南加州大学团队在最新一期《科学》杂志上发表研究，介绍了他们开发的首个能隔离噪声并保留量子纠缠的光学滤波器。这一进展为开发紧凑且高性能的纠缠系统打下基础，这些系统可集成到量子光子电路中，从而支持更加可靠的量子计算架构和通信网络。

量子纠缠是一种现象，其中两个或多个粒子相互关联，以至于一个粒子的状态会立即影响其他粒子的状态，无论它们之间相距多远。这种特性对于实现大规模并行计算、安全信息传输以及超越传统系统的传感器灵敏度至关重要。然而，量子纠缠非常脆弱，容易受到噪声或错误的影响，这限制了它们的实际应用。

此次，研究团队创造了一种新型光学滤波器。这种滤波器基于激光写入的玻璃光通道(波导)排列而成，能像雕塑家去除多余材料一样，滤去所有不必要的成分，仅保留纯净的纠缠状态。不论入射光如何被降解或混合，该设备都能有效去除不需要的部分，只留下关键的量子相关性。

这项突破的核心在于一种名为反奇偶校验时间(APT)对称性的理论物理学概念的应用。与传统的光学系统不同，后者旨在避免损失并保持对称性，APT对称系统则以精确且可控的方式接受损失。通过将这种设计巧妙地结合到耗散与干涉能力之中，系统提供了一种独特的方法来控制光的行为，开辟了操纵光的新途径。

团队将APT对称性嵌入到专门设计的光波导网络中，创建了一个结构，它自然地过滤掉噪声，并引导系统进入稳定的纠缠状态。实验利用南加州大学实验室生成的单光子和纠缠光子对进行测试，结果显示，经过APT对称纠缠滤波器处理后，使用量子层析成像技术重建的输出状态证实了滤波器能以超过99%的保真度恢复所需的纠缠态。

这一成果标志着向实用化量子技术迈出了重要一步。量子纠缠的脆弱性长期制约其实际应用，而这款滤波器实现了主动隔离，为量子计算机、量子通信等提供了“净化功能”。

据了解，2023年，华中科技大学物理学院引力中心李霖教授课题组在国际上首次实现了基于里德堡原子的光量子纠缠过滤器，可用于保护量子纠缠态，并确定性地滤除噪声光子态。课题组利用该过滤器，从极低保真度的输入态中提取出近乎完美的量子纠缠。

可以从极大的噪声中提取出近乎完美的量子纠缠，是李霖课题组新方案的优势所在。即使输入态中仅含有7%的纠缠态（初始保真度为7%），里德堡纠缠过滤器仍能将纠缠态保真度提升至99%以上。

此外，这项研究还有一个创新之处，即利用一种原本被视为“不好”的量子效应——退相干，来进行量子纠缠态的操作和制备。通常情况下，退相干会导致纠缠态保真度下降，从而影响量子信息正确传输和处理。因此，人们一般会想办法抑制退相干效应。

然而，课题组研究人员却巧妙地将退相干“变废为宝”，将噪声双光子态转化为两个里德堡激发态，并通过其无序相互作用引发退相干效应，最终将噪声态剔除，实现量子纠缠过滤。

为理解并驾驭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常越研究员、中科院理论物理研究所石弢研究员合作，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契合。这一新方法拓展了基于里德堡原子的量子调控手段，使得利用低里德堡激发态来制备量子纠缠成为可能。

这项成果不但填补了确定性量子纠缠过滤器的空白，还为可扩展的多光子量子光学研究以及里德堡多体量子物理研究提供了新的思路。例如，通过提升里德堡原子系综的规模，可进行多光子的量子并行操作，高效制备薛定谔猫态等多光子纠缠态；通过引入里德堡相互作用的无序性及退相干，进一步探索无序相互作用下的新颖多体动力学过程。

*声明：本文系原作者创作。文章内容系其个人观点，我方转载仅为分享与讨论，不代表我方赞成或认同，如有异议，请联系后台。

想要获取半导体产业的前沿洞见、技术速递、趋势解析，关注我们！