量子之路：從量子隱形傳態到光量子計算機

5月3日，中科院在上海舉行新聞發布會，宣布中國學者成功構建了世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機在中國誕生。這一令人振奮的消息來自中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組。其實，這並不是潘教授團隊首次閃亮登場，近年來他們都做出了哪些輝煌成績呢？讓我們回顧一下。

雙量子隱形傳態

「瞬間移動」這個概念由來已久，無論對於科學家還是大眾也有著巨大的吸引力。1993年，現實研究終於追趕上科幻概念，一個國際物理學團隊從理論上證明了只要被複制的原始態被摧毀，量子態傳輸是完全可能的。成功傳輸量子需要精確系統測量，遠距離信息傳輸以及重建一個原始態的完美複製。由於「量子態不可克隆」定理的存在，完美複製量子態是無法實現的，這就需要徹底的粒子傳輸，也就是說第一個粒子將失去其本來狀態。

潘建偉教授

換句話講，一次成功而完美的傳送意味著第一個粒子徹底失去其被轉送走的屬性。單一自由度量子隱形傳態實驗於1997年首次實現。自那以後，量子自旋的全部獨立狀態，以及光場和其他單元都已實現成功傳送。但是所有這些實驗都僅限於單屬性傳輸，以至於哪怕提升至雙屬性傳輸都會被視為蓋世功勛。

2015年，潘建偉和陸朝陽研究團隊已經實現了將一個量子的自旋 (偏振) 和軌道角動量 (OAM) 同時傳輸給一定距離以外的另一個量子。傳送實驗通常需要一個「量子通道」，這實際上是額外的一組「糾纏的」量子——它們的狀態彼此相連無法擺脫，所以任何施加給其中一個量子的變化都會即刻影響另一個。在這個實驗中，採用了一組「超糾纏」量子，即兩個粒子的自旋和軌道角動量是同步糾纏的。

陸朝陽教授

這項成果也榮登《物理世界》(Physics World) 2015年度國際物理學領域的十項重大突破榜首。儘管通過擴展潘的方法來傳輸兩個以上的屬性是有可能的，但每個屬性的增加都將帶來巨大的困難——極限可能是三個屬性。要完成這一點將需要在實驗中有能力控制10個量子，不過當時的紀錄是8個。潘教授曾說：「希望在幾個月內可以實現10個量子的糾纏。量子隱形傳態已公認是目前遠距離量子通訊研究中的關鍵因素，將決定未來不可破安全系統、超快量子計算機以及量子網路的發展。」

第一顆量子衛星

2016年8月16日，中國量子衛星「墨子」在酒泉衛星發射中心成功發射。作為世界首顆量子科學實驗衛星，發射升空之後會進行量子通信實驗。未來在軌運行的兩年時間裡，它將配合地面的五個台站，進行大量工作，並將建立一個極其安全的全球通信網路。

項目的首要任務是在衛星和北京地面站、衛星和維也納地面站之間建立量子密鑰分發 (通過光子的量子屬性進行編碼和共享的密鑰)。然後以衛星為中繼設備，看能否在北京和維也納之間建立量子密鑰。

從理論上講，量子糾纏能夠在任何距離間保持。但兩個粒子無論距離多遠都可以保持糾纏嗎？在潘建偉教授看來，懷疑量子力學的人並不太多，但如果探索新的物理內容，就必須做到極致。所以，要看一看是否存在物理極限。人們會問，在經典世界和量子世界之間是否具有某種邊界，研究團隊則希望構建某種宏觀系統，它可以展示量子現象在這種環境下仍然能夠存在。

將來，他們還計劃在地球和月球之間嘗試糾纏密鑰分發。並希望通過嫦娥計劃將一顆量子衛星發射至地月系統中的引力穩定點 (拉格朗日點)。

第一台光量子計算機

近日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組，在基於光子和超導體系的量子計算機研究方面取得了兩項重大突破性進展。今天，他們在上海宣布，世界首台超越早期經典計算機的量子計算機問世。在光學體系上，研究團隊在2016年已實現國際最高水平的十光子糾纏操縱。今年，在這一基礎上，又利用我國自主研發的高品質量子點單光子源構建了世界首台在性能上能夠超越早期經典計算機的單光子量子計算機。

潘建偉教授在5月3日新聞發布會

量子計算機是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的並行計算和模擬能力的計算機。隨著可操縱的粒子數的增加，量子計算機的計算能力呈指數增長，可以為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案，具有巨大的發展潛力。一台操縱50個微觀粒子的量子計算機，對一些特定問題的處理能力甚至比超級計算機更強。如果現在經典計算機的速度是自行車，那量子計算機的速度就好比飛機。

潘建偉教授PPT

最新實驗測試表明，該原型機的「玻色取樣」速度比國際同行之前所有類似的實驗加快至少24000倍，比人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍。

以前，量子計算速度比經典計算機快還只是停留在理論中，而該台原型機將這一理論變成現實邁出了堅實的第一步，把量子計算機真正推向和經典計算機競爭的擂台。這是歷史上第一台超越早期經典計算機量子模擬機，為最終實現超越經典計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為「量子稱霸」的目標奠定了堅實的基礎。

潘建偉教授PPT

在超導體系方面，研究團隊自主研發了10比特超導量子線路樣品，通過高精度脈衝控制和全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的多體純糾纏，並通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態。這一成果打破了美國之前保持的9個量子比特操縱的記錄，形成了一個完整的超導計算機的系統，使我國在超導體系量子計算機研究領域也進入世界一流水平行列。根據計劃，中國科學技術大學潘建偉教授研究團隊將在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱，20個超導量子比特樣品的設計、製備和測試，量子計算機的運算速度將會成指數式增長。

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