中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域再次取得里程碑式突破！中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(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。該成果應(yīng)用價(jià)值極大，表明我國(guó)繼續(xù)在國(guó)際上引領(lǐng)多體糾纏的研究。

中科大潘建偉教授及其同事陸朝陽、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，在國(guó)際上首次實(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！

作為國(guó)際前沿的量子信息科研團(tuán)隊(duì)之一，潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在光子體系上率先實(shí)現(xiàn)了五光量子、六光量子、八光量子和十光量子糾纏，一度保持著國(guó)際領(lǐng)先水平。此次實(shí)現(xiàn)18個(gè)光量子比特的糾纏，該成果可進(jìn)一步應(yīng)用于大尺度、高效率的量子信息技術(shù)，表明我國(guó)繼續(xù)在國(guó)際上引領(lǐng)多體糾纏的研究。

國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》日前發(fā)表了該成果。

打破自己10光量子糾纏記錄，創(chuàng)造所有物理體系糾纏態(tài)制備的新世界紀(jì)錄

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)算的速度將隨著可操縱的糾纏比特?cái)?shù)目的增加而指數(shù)級(jí)提升。但要實(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。同時(shí)，隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，操縱時(shí)所帶來的噪聲、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，成為量子糾纏和量子計(jì)算發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。

過去20年，潘建偉及其同事一直在國(guó)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?jī)蓚€(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(guó)物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站“物理世界”選為“國(guó)際物理學(xué)年度突破”。

2016年底，潘建偉團(tuán)隊(duì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了10個(gè)光量子比特和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)世界記錄。

通過多年技術(shù)攻關(guān)，潘建偉團(tuán)隊(duì)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。

具體技術(shù)：實(shí)驗(yàn)證明18個(gè)量子比特GHZ糾纏

對(duì)多個(gè)粒子的多個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)完全控制是量子信息處理的基本能力。我們通過同時(shí)利用6個(gè)光子的3個(gè)不同自由度，包括它們的路徑、偏振和軌道角動(dòng)量，實(shí)驗(yàn)證明了18個(gè)量子比特Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）糾纏。

研究人員開發(fā)了高穩(wěn)定性的干涉儀，用于光子的不同自由度之間的可逆量子邏輯運(yùn)算，其精度和效率接近于一，可以同時(shí)讀出18個(gè)量子比特狀態(tài)產(chǎn)生的218=262144種結(jié)果組合。測(cè)量到的量子態(tài)保真度為0.708±0.016，證明全部18個(gè)量子比特的真實(shí)糾纏。

圖1：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。

上圖中展示了用于創(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。其中，

（a）：六光子偏振糾纏GHZ態(tài)的產(chǎn)生。中心波長(zhǎng)為為788nm，脈沖持續(xù)時(shí)間為140fs，重復(fù)頻率為80MHz超快激光聚焦于三硼酸鋰（LBO）并向上轉(zhuǎn)換為394nm。

紫外激光聚焦在三個(gè)專門設(shè)計(jì)的三明治型非線性晶體，每個(gè)晶體由兩個(gè)2毫米厚的β-硼酸鋇（BBO）一個(gè)HWP組成，產(chǎn)生三對(duì)糾纏光子。

在每個(gè)輸出中，使用了不同厚度和方向的兩塊YVO？晶體，以對(duì)雙折射效應(yīng)進(jìn)行空間和時(shí)間補(bǔ)償。這三對(duì)糾纏光子結(jié)合在兩個(gè)偏振分束器（PBS）上，產(chǎn)生六光子偏振糾纏的GHZ態(tài)。

（b）：對(duì)于每個(gè)單光子，它通過一個(gè)雙PBS發(fā)送，并且兩個(gè)SPP在單光子三量子比特態(tài)下制備。

（c）：采用閉合（虛線）或開放（無虛線）干涉配置測(cè)量空間量子比特。

（d）：偏振測(cè)量。

（e）：通過交換門（inset）將OAM轉(zhuǎn)換為偏振，從而實(shí)現(xiàn)高效率、雙通道的OAM讀出。

（f）：（b）和（c）中實(shí)際使用的裝置的照片。通過垂直平移，可以方便地在打開和關(guān)閉之間切換

（g）：對(duì)空間（f）和OAM（h）測(cè)量中的可見性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

（h）：（e）中實(shí)際使用的裝置的照片。

圖2：18量子比特GHZ糾纏的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

搶占“量子霸權(quán)”制高點(diǎn)，糾纏態(tài)制備是關(guān)鍵

由于量子信息技術(shù)的潛在價(jià)值，歐美各國(guó)都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國(guó)家級(jí)的協(xié)同攻關(guān)。其中，歐盟在2016年宣布啟動(dòng)量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目；美國(guó)國(guó)會(huì)則于6月27日正式通過了“國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃”（National Quantum Initiative，NQI），確保自己不會(huì)落后其他發(fā)展量子技術(shù)的國(guó)家。

國(guó)外高科技巨頭，比如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究，并且頻頻宣告進(jìn)步。

尤其是谷歌。谷歌從2014年開始研究基于超導(dǎo)超導(dǎo)的量子計(jì)算機(jī)。今年3月，谷歌宣布推出 72 量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了 1% 的低錯(cuò)誤率；5月，谷歌在《自然-物理學(xué)》發(fā)表文章，描述了從隨機(jī)量子電路的輸出中采樣位元串（bit-strings）的任務(wù)，這可以被認(rèn)為是量子計(jì)算機(jī)的“hello world”程序。在另一篇發(fā)表于Science的論文《用超導(dǎo)量子比特演示量子霸權(quán)的藍(lán)圖》（A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits）中，谷歌闡述了量子霸權(quán)的藍(lán)圖，并首次實(shí)驗(yàn)證明了一個(gè)原理驗(yàn)證的版本。

不過，IBM、英特爾、谷歌等宣布實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)原型，這些量子比特并沒有形成糾纏態(tài)。單純比拼物理量子比特?cái)?shù)，這一優(yōu)勢(shì)在應(yīng)用層面尚無太大意義。

前文也說了，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)。為什么？

經(jīng)典計(jì)算機(jī)是通過一串二進(jìn)制代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質(zhì)上并沒有區(qū)別，只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態(tài)下。換而言之，當(dāng)我們測(cè)量量子比特的狀態(tài)時(shí)，會(huì)得到一個(gè)一定概率的 0 或 1 。

為了用許多這樣的量子比特執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，它們必須持續(xù)地處在一種相互關(guān)聯(lián)的疊加態(tài)下，即所謂的量子相干態(tài)。這些量子比特處于糾纏之中，一個(gè)比特的變化能夠影響到剩下所有的量子比特。因此，基于量子比特的運(yùn)算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)比特。

傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力隨著比特位的增加呈線性增長(zhǎng)，而每增加一個(gè)量子比特位，則有可能使量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力加倍（呈指數(shù)增長(zhǎng)）。這也就是為什么 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子計(jì)算機(jī)有天壤之別。

不過，真正重要的不僅僅是有多少個(gè)量子比特（這甚至不是主要因素），而是量子比特的性能好壞，以及算法是否高效。

五光子、六光子、十光子到18個(gè)光量子，多粒子糾纏一直引領(lǐng)世界

多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國(guó)際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國(guó)際領(lǐng)先水平。

在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國(guó)航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個(gè)記錄在2016年底被中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)打破：潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測(cè)量。

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)利用超導(dǎo)量子電路，演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計(jì)算的并行性加速求解線性方程組的可行性。相關(guān)成果也發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。

50個(gè)光子糾纏能讓量子模擬機(jī)計(jì)算能力超越“天河二號(hào)”

2017年5月3日，潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組攻關(guān)，利用自主發(fā)展的綜合性能國(guó)際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)。

潘建偉說，這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。