国度自然科学一等奖的“量子纠缠”究竟是个啥?

文章起源：科通社 赛先生

　　张文卓 (中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技巧大学上海研究院副研究员)

　　(资料起源于中国科普博览、中科院之声)

　　近日，潘建伟院士带领的中国科学技巧大学团队的“多光子纠缠和干预器量学”获得了2015年度国度自然科学一等奖，是中国自然科学范畴的最高奖项。该团队也 打破了国度自然科学一等奖历史上最年轻团队的记录。五位完成人按获奖顺序依次为潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授。其中潘建伟、彭承志、陈增兵三位为“70后”，陈宇翱和陆朝阳为“80后”。

　　与 以往的很多国度自然科学一等奖相比，该团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃，其结果3次入选美国物理学会(American Physical Society)评选的“年度物理学重大事件”(The Top Physics Stories of the year)，2次入选英国物理学会(Institute of Physics)评选的“年度物理学重大停顿”(Highlights of the year)，最近被英国物理学会的Physics world网站评选为2015天下物理学十大停顿第一名(Breakthrough of the Year)。

　　这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干预器量学”，细心的朋友会发现这就是潘建伟院士2012年在《古代物理评论》(Review of Modern Physics)杂志上发表的论文“Multiphoton entanglement and interferometry”的译名[1]。《古代物理评论》为物理学范畴最顶级的综述杂志，仅向各个范畴天下知名的物理学家约稿来介绍该范畴最新停顿。潘院士这篇综述也是中国科学家发表在该刊物的第一篇试验论文。

　　在量子通讯和量子盘算等多个方向上，潘建伟团队都取得了天下领先的科研结果，而“多光子纠缠和干预器量学”作为核心研究内容之一，贯穿始终。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子发生纠缠。这是利用光子做量子隐形传态和量子盘算的必要前提。

　　量子力学中“纠缠”指的是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A能够处于某个物理量的叠加态，能够用一个量子比特来表示：

　　ΦA=a|0>A+b|1>A ，

　　另一个粒子B也处于叠加态：

　　ΦB=c|0>B+d|1>B 。

　　当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，例如：

　　ΦAB=ad|0>A|1>B +bc|1>A|0>B

　　就是一个纠缠态：当A粒子处于0态时，B粒子必定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子必定处于0态。

(图片起源：NATURE)

　　在没有外界干扰的情况下，无论两个粒子相隔多远，纠缠态都能够存在，因此量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)，并以此来质疑量子力学的完备性(因为违反了他提出的“定域性”道理)。但是后来一次次试验都证实量子力学是对的，非定域的量子纠缠能够存在，定域性道理必须舍弃。

　　跟着量子信息学的诞生，量子纠缠成为了量子通讯和量子盘算的核心。最新的研究表明，微观的量子纠缠和宏观的热力学第二定律，甚至是时间之箭的起源都有着密不可分的关系。

　　　针对量子信息处理尤其是光量子盘算的需求，纠缠的光子数自然是越多越好。在试验上，光子纠缠需要对光子源发生的光子经由各种光学干预的方法来获取，这就是“多光子纠缠”和“多光子干预器量学”成为一个整体课题的原因。发生纠缠的光子数越多，干预和丈量的系统也就越庞杂，试验难度也就越大。

　　如图1，一个紫外光脉冲照射BBO晶体能够有必定概率发生一对光子(o和e)，经由在偏振分束器(PBS)上的一次干预，o光子和e光子都能够形成水平偏振H和竖直偏振V的叠加态，于是o光子和e光子就形成了一个纠缠态|HH>+|VV>(即o光子是H偏振时，e光子必定也是H偏振，反之o光子是V偏振时，e光子必定也是V偏振)。

图1 双光子干预和纠缠发生的光路示意图

　　把双光子干预发生纠缠的方法层层累加，扩展到更多的光子，就能够形成更多光子的纠缠。潘建伟团队从2004年开始，一直坚持着纠缠光子数的天下纪录。2004年在天下上第一个实现了5光子纠缠，2007年在天下上第一个实现了6光子纠缠，2012年在天下上第一个实现了8光子纠缠，并且坚持该记录至今。

　　图2是实现8光子纠缠的光路简图。由于光子发生和光学干预丈量的概率都是跟着光子数指数上升，以是每增加一个纠缠光子，光学干预系统就要庞杂一倍，纠缠的发生难度也会跟着光子数指数上升。该团队经由一个个在国际上原创的多光子干预丈量技巧，经过不懈努力克服各种试验困难，才能够多次打破自己坚持的天下记录，并将记录定格为8个。

　　该团队以多光子纠缠技巧为基础，在自由空间量子通讯范畴实现了天下首个百公里级的量子纠缠分发和量子隐形传态，在量子盘算范畴实现了天下上首个光量子Shor算法和拓扑量子纠错。

图2 潘建伟团队实现8光子纠缠的光路示意图

　　“多光子纠缠和干预器量学”获得国度自然科学一等奖实至名归，但这仅仅是潘建伟院士团队的一部分工作。

　　2016年，该团队承担研制的天下首颗“量子科学试验卫星”将发射升空，将实现天下首个星地间的量子保密通讯和量子隐形传态。同时，源于该团队技巧的天下首个量子保密通讯主干网络“京沪干线”也即将建成。

　　在量子盘算范畴，该团队和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子盘算联合试验室”，在坚持光量子盘算天下领先地位的同时，将大力推动我国量子盘算整体研究水平。有理由期待潘建伟院士的团队在未来会带给中国和全天下更多的惊喜。

　　如果你还是没懂什么是量子？什么是量子纠缠？量子技巧对咱们的生活带来了什么样的福音？分身术、隐形传输还将是遥远的神话么？下面听听潘建伟院士团队成员，也是潘建伟的高徒——国际年轻量子科学家陈宇翱怎么说。

　　以下为文字实录：

　　今天，我的题目是《追梦量子天下》。

　　说到量子，各人可能既熟悉又陌生，什么是量子？举个例子，我手上这支遥控器，它就是个神奇的量子笔。咱们按一下翻页，各人能够猜一猜在这一瞬间有多少个量子发射出去了？我能够告诉各人的是，我在按下翻页的瞬间，有上万亿个量子发射出去了，它是不是很厉害。

　　为什么这么厉害？请允许我给各人介绍下量子的概念。量子它是一个能量的最小单位，所有的微观粒子包含分子、原子、电子、光子，它们都是量子的一种表现形态。咱们知道这个天下本身都是由微观粒子构成的。以是，某种意义而言，咱们这个天下就是由量子构成的。我手上这支笔，在座的各人，包含我自己都是24K纯量子产品。

　　各人呼一口气都是上万亿量子的进出，以是各人都是分分钟几十亿上下的人才。这么说来，量子它并不神秘，也没什么高深的，但是对量子研究，在过去的一百年已经成为古代科技的支柱，发展出了诸如激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻，这些跟咱们生活都息息相关的一些科技停顿，而且能够想象，也能够相信未来会给咱们带来更多的停顿。

　　什么是量子叠加道理和量子纠缠？

　　说到量子天下，实在有两个最基本的道理，就是量子叠加道理，而另外一个实在是由量子叠加道理引申出来的量子纠缠。

转载自:https://tech.sina.com.cn/d/i/2016-01-11/doc-ifxnkkux1079019.shtml

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