實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，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(tuán)隊(duì)不斷刷新著光量子比特糾纏數(shù)目的世界紀(jì)錄。

　　用于創(chuàng)建和驗(yàn)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(yàn)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(qū)，帶來了題為“新量子革命：從量子物理基礎(chǔ)檢驗(yàn)到量子信息技術(shù)”的講座。

　　潘建偉講到，可以預(yù)期，以量子信息技術(shù)為代表的第二次量子革命一定會帶來人類社會物質(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(zhuǎn)變?yōu)槲磥硇畔⒓夹g(shù)引領(lǐng)者的偉大機(jī)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型計(jì)算機(jī)，基本單元都是一個(gè)個(gè)集成化了的晶體管，每個(gè)晶體管用來表示0或者1的信息，通過各種邏輯運(yùn)算，得到計(jì)算結(jié)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(fù)雜問題，如大數(shù)分解，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)處理起來的時(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(fù)雜迷宮中，很難找到目標(biāo)。而量子計(jì)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(biāo)，在極短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。

　　“這樣的能力，來源于量子疊加原理——量子比特同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)。隨著比特?cái)?shù)的增加，計(jì)算能力將指數(shù)增加!”潘建偉團(tuán)隊(duì)劉乃樂研究員告訴科技日報(bào)記者，對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說，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(jì)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，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實(shí)現(xiàn)?！眲⒛藰方忉屨f。

　　有人估計(jì)，當(dāng)處于糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目達(dá)到50左右，量子計(jì)算機(jī)就可以在某些特定任務(wù)上令任何一臺經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及，即所謂的“量子霸權(quán)”。

　　除量子計(jì)算以外，對于量子科學(xué)的其他領(lǐng)域來說，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(xiàn)了量子態(tài)的傳送。“有了對于糾纏粒子的操控，才能實(shí)現(xiàn)量子世界的神奇和瑰麗?！? 劉乃樂說。

　　增加量子比特?cái)?shù)

　　運(yùn)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(jì)算的最核心指標(biāo)?！眲⒛藰犯嬖V記者，由于技術(shù)上的種種限制，無論采取哪種粒子體系，對糾纏粒子的控制和測量都沒有想象的那般容易。對于光子體系來說，最大的困難來自于效率問題。當(dāng)操縱多個(gè)光子，單位時(shí)間內(nèi)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(xiàn)實(shí)，能不能在操縱比較少數(shù)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、偏振、軌道角動量、空間路徑都是不同維度的信息，都可以用來編碼量子比特。”劉乃樂說，將光子的其他自由度盡可能地利用起來，通過控制它們形成量子比特，并保持糾纏。

　　2015年，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了利用偏振和軌道角動量編碼的單個(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(xiàn)所謂“超糾纏”的藍(lán)圖在科學(xué)家腦中漸漸清晰起來。

　　但是，3個(gè)自由度的超糾纏從技術(shù)上來說有很大的挑戰(zhàn)，其中最大的挑戰(zhàn)，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、軌道角動量、空間路徑3個(gè)自由度來編碼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。”劉乃樂說，最難的部分是對量子比特的測量和對糾纏的驗(yàn)證——得巧妙地構(gòu)造實(shí)驗(yàn)，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(dāng)中比較難辦的是軌道角動量測量?！眲⒛藰氛f道，這次科學(xué)家想了一個(gè)非常巧妙的曲線戰(zhàn)術(shù)，利用一系列光學(xué)器件，將軌道角動量信息轉(zhuǎn)化成極化信息，進(jìn)而進(jìn)行測量，這樣一來，就很容易讀出結(jié)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(jié)果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，信噪比大約為4.4，保真度為0.708±0.016。“只要保真度超過0.5的閾值，就可以說實(shí)現(xiàn)了真正的多粒子糾纏，所以這次的保真度從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上明確給出了超糾纏證據(jù)?！眲⒛藰氛f。

　　量子計(jì)算曙光初現(xiàn)

　　“量子計(jì)算機(jī)是真正意義上的并行計(jì)算機(jī)?！眲⒛藰放e例說，如果把經(jīng)典計(jì)算機(jī)比成一種單一樂器，那么量子計(jì)算機(jī)就像一個(gè)交響樂團(tuán)，一次運(yùn)算可以處理多種不同狀況。50個(gè)光子糾纏就能讓量子計(jì)算機(jī)的計(jì)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，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(shù)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(yīng)用于大尺度、高效率的量子信息技術(shù)，用來探索前人從沒有抵達(dá)過的量子秘境。

　　“量子比特糾纏的數(shù)目越大，可實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算的能力就越強(qiáng)?！眲⒛藰繁硎荆麄兿Ｍㄟ^未來3年到5年努力，在量子計(jì)算方面能實(shí)現(xiàn)約50個(gè)糾纏量子比特的相干操縱，使其計(jì)算能力在某些特定問題的求解上，媲美或超越目前最好的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。