九三學(xué)社中央副主席、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調(diào)控六個(gè)光子的偏振、路徑和軌道角動(dòng)量三個(gè)自由度，在全世界首次實(shí)現(xiàn)18個(gè)光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。該成果近日以“編輯推薦”的形式發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
由于量子信息技術(shù)的巨大潛在價(jià)值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國家級(jí)的協(xié)同攻關(guān)。例如，歐盟在2016年宣布啟動(dòng)量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目。最近，美國國會(huì)正式通過了“國家量子行動(dòng)計(jì)劃”。此前，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究。
多個(gè)量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴(kuò)展量子信息技術(shù)，特別是量子計(jì)算的最核心指標(biāo)。量子計(jì)算的速度隨著實(shí)驗(yàn)可操縱的糾纏比特?cái)?shù)目的增加而指數(shù)級(jí)提升。然而，要實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子比特的糾纏，需要進(jìn)行高精度、高效率的量子態(tài)制備和獨(dú)立量子比特之間相互作用的精確調(diào)控。而量子比特?cái)?shù)目的增加，使得操縱帶來的噪聲、串?dāng)_和錯(cuò)誤也隨之增加。這對(duì)量子體系的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控要求極高，對(duì)量子糾纏和量子計(jì)算的發(fā)展構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。
多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算不可逾越的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。2016年年底，潘建偉團(tuán)隊(duì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了10個(gè)光子比特和10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，刷新并一直保持著這兩個(gè)世界紀(jì)錄。近期，出于商業(yè)目的，雖然IBM、英特爾、谷歌等宣布實(shí)現(xiàn)了更高數(shù)目的量子比特樣品的加工，但是這些量子比特并沒有形成糾纏態(tài)。
20年來，潘建偉及其同事一直在國際上引領(lǐng)著多光子糾纏和干涉度量的發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上開創(chuàng)了光子的多個(gè)自由度的調(diào)控方法。2015年，通過實(shí)現(xiàn)對(duì)光子偏振和軌道角動(dòng)量兩個(gè)自由度的量子調(diào)控技術(shù)和單光子非破壞測(cè)量，潘建偉、陸朝陽研究組首次實(shí)現(xiàn)單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，相關(guān)成果被英國物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站“物理世界”選為“國際物理學(xué)年度突破”。
此后，研究組進(jìn)入實(shí)現(xiàn)多光子三個(gè)自由度的聯(lián)合調(diào)控這一“無人區(qū)”。通過多年的不懈探索和技術(shù)攻關(guān)，研究組自主研發(fā)了高穩(wěn)定單光子多自由度干涉儀，實(shí)現(xiàn)了不同自由度量子態(tài)之間的確定性和高效率的相干轉(zhuǎn)換，完成了對(duì)18個(gè)量子比特的262144種狀態(tài)的同時(shí)測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，研究組成功實(shí)現(xiàn)了18個(gè)光量子比特超糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備和嚴(yán)格多體純糾纏的驗(yàn)證，創(chuàng)造了所有物理體系糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。
該成果可進(jìn)一步應(yīng)用于大尺度、高效率量子信息技術(shù)，表明我國繼續(xù)在國際上引領(lǐng)多體糾纏的研究。（《光明日?qǐng)?bào)》見習(xí)記者 冀文亞 通訊員 楊保國 本文刊載于《光明日?qǐng)?bào)》2018年07月03日08版）
