實(shí)現“量子霸權”，糾纏態(tài)制備是關(guān)鍵

　　5光量子比特糾纏、6光量子比特糾纏、8光量子比特糾纏、10光量子比特糾纏、18光量子比特糾纏……中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團隊不斷刷新著(zhù)光量子比特糾纏數目的世界紀錄。

　　用于創(chuàng )建和驗證由6個(gè)光子和3個(gè)d.o.f組成的18量子比特GHZ態(tài)的方案和實(shí)驗裝置?！　?月13日下午，潘建偉做客北京航空航天大學(xué)沙河校區，帶來(lái)了題為“新量子革命：從量子物理基礎檢驗到量子信息技術(shù)”的講座。

　　潘建偉講到，可以預期，以量子信息技術(shù)為代表的第二次量子革命一定會(huì )帶來(lái)人類(lèi)社會(huì )物質(zhì)文明的巨大進(jìn)步，同時(shí)也給了我國一個(gè)從經(jīng)典信息技術(shù)時(shí)代的跟隨者、模仿者，轉變?yōu)槲磥?lái)信息技術(shù)引領(lǐng)者的偉大機遇。

　　糾纏是量子科學(xué)

　　極其重要的資源

　　今天我們使用的各種類(lèi)型計算機，基本單元都是一個(gè)個(gè)集成化了的晶體管，每個(gè)晶體管用來(lái)表示0或者1的信息，通過(guò)各種邏輯運算，得到計算結果。

　　但芯片的集成密度總有物理極限，特別是處理一些特定的復雜問(wèn)題，如大數分解，現有計算機處理起來(lái)的時(shí)間可能要以成百上千年為單位。

　　中國有個(gè)詞叫“歧路亡羊”，岔路之中又有岔路的復雜迷宮中，很難找到目標。而量子計算，就好比玩一種神秘的迷宮游戲，它可以利用不多的量子比特，同時(shí)幻化出很多個(gè)分身，在很多很多的岔路上尋找目標，在極短時(shí)間內完成任務(wù)。

　　“這樣的能力，來(lái)源于量子疊加原理——量子比特同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)。隨著(zhù)比特數的增加，計算能力將指數增加!”潘建偉團隊劉乃樂(lè )研究員告訴科技日報記者，對于經(jīng)典計算機來(lái)說(shuō)，兩個(gè)比特在某一時(shí)刻只可能表示00，01，10，11四種可能性中的一種，而量子計算里，兩個(gè)比特單位可以同時(shí)容納4個(gè)值：00，01，10和11。

　　“也就是說(shuō)，我們可以同時(shí)對2的N次方個(gè)值進(jìn)行操縱，而這都得依仗量子糾纏才會(huì )實(shí)現?！眲⒛藰?lè )解釋說(shuō)。

　　有人估計，當處于糾纏態(tài)的量子比特數目達到50左右，量子計算機就可以在某些特定任務(wù)上令任何一臺經(jīng)典計算機望塵莫及，即所謂的“量子霸權”。

　　除量子計算以外，對于量子科學(xué)的其他領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，糾纏都是極其重要的資源。比如，量子保密通信、量子隱形傳態(tài)，就是借助了糾纏，才實(shí)現了量子態(tài)的傳送?！坝辛藢τ诩m纏粒子的操控，才能實(shí)現量子世界的神奇和瑰麗?！? 劉乃樂(lè )說(shuō)。

　　增加量子比特數

　　運用更多“自由度”

　　“多個(gè)量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備，是量子計算的最核心指標?！眲⒛藰?lè )告訴記者，由于技術(shù)上的種種限制，無(wú)論采取哪種粒子體系，對糾纏粒子的控制和測量都沒(méi)有想象的那般容易。對于光子體系來(lái)說(shuō)，最大的困難來(lái)自于效率問(wèn)題。當操縱多個(gè)光子，單位時(shí)間內同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)光子的概率低得難以忍受。

　　如果操縱多個(gè)光子不現實(shí)，能不能在操縱比較少數目的光子的情況下，產(chǎn)生盡可能多的糾纏呢?

　　科學(xué)家想到了一個(gè)辦法——利用光子的多個(gè)自由度。你向陌生人描述某人的時(shí)候，可以告訴他某人的身高、體重、膚色、年齡……這些不同維度的信息就是自由度。

　　“對于光子也是一樣。光子的波長(cháng)、偏振、軌道角動(dòng)量、空間路徑都是不同維度的信息，都可以用來(lái)編碼量子比特?！眲⒛藰?lè )說(shuō)，將光子的其他自由度盡可能地利用起來(lái)，通過(guò)控制它們形成量子比特，并保持糾纏。

　　2015年，潘建偉團隊實(shí)現了利用偏振和軌道角動(dòng)量編碼的單個(gè)光子的多自由度量子隱形傳態(tài)。多自由度的量子隱形傳態(tài)這種從“1”到“2”的突破，讓人們看到了新的希望。有了這次突破，相干操縱多個(gè)光子、多個(gè)自由度，實(shí)現所謂“超糾纏”的藍圖在科學(xué)家腦中漸漸清晰起來(lái)。

　　但是，3個(gè)自由度的超糾纏從技術(shù)上來(lái)說(shuō)有很大的挑戰，其中最大的挑戰，是讀取其中一個(gè)自由度編碼信息的時(shí)候，不能破壞其他的自由度編碼。

　　“我們選取了6個(gè)光子的偏振、軌道角動(dòng)量、空間路徑3個(gè)自由度來(lái)編碼18個(gè)量子比特。即讓6個(gè)光子的3個(gè)自由度形成了一種超糾纏態(tài)，可以編碼18個(gè)量子比特?！眲⒛藰?lè )說(shuō)，最難的部分是對量子比特的測量和對糾纏的驗證——得巧妙地構造實(shí)驗，使得對某個(gè)光子的每個(gè)自由度的測量不影響其他未測的自由度。

　　“這當中比較難辦的是軌道角動(dòng)量測量?！眲⒛藰?lè )說(shuō)道，這次科學(xué)家想了一個(gè)非常巧妙的曲線(xiàn)戰術(shù)，利用一系列光學(xué)器件，將軌道角動(dòng)量信息轉化成極化信息，進(jìn)而進(jìn)行測量，這樣一來(lái)，就很容易讀出結果了。

　　最終，對于每個(gè)攜帶3自由度的單個(gè)光子，可以讀出八種可能的結果。實(shí)驗數據表明，信噪比大約為4.4，保真度為0.708±0.016?！爸灰Ｕ娑瘸^(guò)0.5的閾值，就可以說(shuō)實(shí)現了真正的多粒子糾纏，所以這次的保真度從統計學(xué)意義上明確給出了超糾纏證據?！眲⒛藰?lè )說(shuō)。

　　量子計算曙光初現

　　“量子計算機是真正意義上的并行計算機?！眲⒛藰?lè )舉例說(shuō)，如果把經(jīng)典計算機比成一種單一樂(lè )器，那么量子計算機就像一個(gè)交響樂(lè )團，一次運算可以處理多種不同狀況。50個(gè)光子糾纏就能讓量子計算機的計算能力超越天河二號。

　　“這次我們將3個(gè)自由度都利用起來(lái)，形成的18比特超糾纏效率，大約比單自由度18光子超糾纏狀態(tài)高出13個(gè)數量級!”有了這次探索，科學(xué)家們更加有信心將不同自由度糾纏這一法寶進(jìn)一步應用于大尺度、高效率的量子信息技術(shù)，用來(lái)探索前人從沒(méi)有抵達過(guò)的量子秘境。

　　“量子比特糾纏的數目越大，可實(shí)現的量子計算的能力就越強?！眲⒛藰?lè )表示，他們希望通過(guò)未來(lái)3年到5年努力，在量子計算方面能實(shí)現約50個(gè)糾纏量子比特的相干操縱，使其計算能力在某些特定問(wèn)題的求解上，媲美或超越目前最好的經(jīng)典超級計算機，實(shí)現“量子霸權”。