量子糾纏」到底是個啥？

量子力學中「糾纏」指的是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處於某個物理量的疊加態，可以用一個量子比特來表示：

ΦA=a|0>A+b|1>A ，

另一個粒子B也處於疊加態：

ΦB=c|0>B+d|1>B 。

當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，例如：

ΦAB=ad|0>A|1>B +bc|1>A|0>B

就是一個糾纏態：當A粒子處於0態時，B粒子一定處於1態；反之，當A粒子處於1態時，B粒子一定處於0態。

(圖片來源：NATURE)

在沒有外界干擾的情況下，無論兩個粒子相隔多遠，糾纏態都可以存在，因此量子糾纏曾經被愛因斯坦稱為「鬼魅的超距作用」(spooky action at a distance)，並以此來質疑量子力學的完備性(因為違反了他提出的「定域性」原理)。但是後來一次次實驗都證實量子力學是對的，非定域的量子糾纏可以存在，定域性原理必須捨棄。

隨著量子信息學的誕生，量子糾纏成為了量子通信和量子計算的核心。最新的研究表明，微觀的量子糾纏和宏觀的熱力學第二定律，甚至是時間之箭的起源都有著密不可分的關係。

針對量子信息處理尤其是光量子計算的需求，糾纏的光子數自然是越多越好。在實驗上，光子糾纏需要對光子源產生的光子通過各種光學干涉的方法來獲取，這就是「多光子糾纏」和「多光子干涉度量學」成為一個整體課題的原因。產生糾纏的光子數越多，干涉和測量的系統也就越複雜，實驗難度也就越大。

如圖1，一個紫外光脈衝照射BBO晶體可以有一定概率產生一對光子(o和e)，通過在偏振分束器(PBS)上的一次干涉，o光子和e光子都可以形成水平偏振H和豎直偏振V的疊加態，於是o光子和e光子就形成了一個糾纏態|HH>+|VV>(即o光子是H偏振時，e光子一定也是H偏振，反之o光子是V偏振時，e光子一定也是V偏振)。

圖1 雙光子干涉和糾纏產生的光路示意圖

把雙光子干涉產生糾纏的方法層層累加，擴展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。潘建偉團隊從2004年開始，一直保持著糾纏光子數的世界紀錄。2004年在世界上第一個實現了5光子糾纏，2007年在世界上第一個實現了6光子糾纏，2012年在世界上第一個實現了8光子糾纏，並且保持該記錄至今。

圖2是實現8光子糾纏的光路簡圖。由於光子產生和光學干涉測量的概率都是隨著光子數指數上升，所以每增加一個糾纏光子，光學干涉系統就要複雜一倍，糾纏的產生難度也會隨著光子數指數上升。該團隊通過一個個在國際上原創的多光子干涉測量技術，經過不懈努力克服各種實驗困難，才能夠多次打破自己保持的世界記錄，並將記錄定格為8個。

該團隊以多光子糾纏技術為基礎，在自由空間量子通信領域實現了世界首個百公里級的量子糾纏分發和量子隱形傳態，在量子計算領域實現了世界上首個光量子Shor演算法和拓撲量子糾錯。

圖2 潘建偉團隊實現8光子糾纏的光路示意圖

「多光子糾纏和干涉度量學」獲得了2015年度國家自然科學一等獎，而這僅僅是潘建偉院士團隊的一部分工作。

世界首顆「量子科學實驗衛星」的發射升空，將完成世界首個星地間的量子保密通信和量子隱形傳態。同時，源於該團隊技術的世界首個量子保密通信主幹網路「京滬幹線」也即將建成。

在量子計算領域，該團隊和阿里巴巴合作成立了「中科院-阿里巴巴量子計算聯合實驗室」，在保持光量子計算世界領先地位的同時，將大力推動我國量子計算整體研究水平。有理由期待潘建偉院士的團隊在未來會帶給中國和全世界更多的驚喜。

來源：新浪科技

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