中國科大潘建偉團隊實現18個量子比特糾纏，再度刷新世界紀錄

昨天，中國科學家又刷新一項世界紀錄！

中國科大潘建偉和陸朝陽領銜的團隊宣布，成功將量子糾纏的比特數提升到了 18 位。他們以 6 光子系統為基礎，利用光子的 3 個自由度，推出了 18 位量子比特的量子糾纏系統。該系統的詳細信息由潘建偉團隊整理並發表在美國物理學會主辦的高水平學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。另外，據中國科大官方透露，該成果從投稿經國際同行評議到被正式接收，只用了三個星期的時間）。

更「可怕」的是，這距離他們上次刷新世界紀錄只過去了 1 年半： 2016 年年底，他們同時實現了 10 個光子量子比特和 10 個超導量子比特的糾纏。在一年半的時間內就將量子比特數提升了近兩倍，不禁讓我們想到半導體界的「摩爾定律」，這也不禁讓我們繼續期待，那在一年半之後的 2020 年，量子比特數是否又會再次刷新呢？

圖丨潘健偉

而在此次的 18 位量子比特量子糾纏系統中，作為一套完備的量子糾纏系統，其主要要有兩個方面的創新：一是提升的量子位數，二是成功設計的高效量子糾纏測量系統。

這就好比是信息系統的加密和解碼，提升了的量子位數能將傳輸的信息量大幅提升，18 位的量子比特能夠得到 2^18=262144 種不同的量子疊加態組合；高效的量子糾纏測量系統則能提升獲取信息的效率和準確率，此次系統的量子態保真度已達 0.708±0.016。這一切都將有利於大規模的量子信息技術的發展。

量子糾纏中，計算和存儲的基本單位就是量子比特，就像我們如今用的電子比特一樣，以「0」和「1」不同的狀態來編碼儲存信息。但是量子比特的方式不一樣，它採取一種叫做「疊加態」的形式來儲存信息，它的狀態不再是單純的「0」或者「1」，而是「0」和「1」不同權重的疊加，就像著名的薛定諤的貓一樣，可死可活，可不死也可不活。

可以說，增加了量子比特的位數，那就增強了整個系統的計算能力和存儲能力。這也是為什麼各國的量子科學家都在競相追逐量子比特位數的原因。

具體而言，此次的 18 位量子比特量子糾纏系統採取 6 光子系統作為基礎，利用每個光子的三個自由度：路徑（Path）、偏振（Polarization）和軌道角動量（OAM），拓展為 18 位的量子比特，這種方式也被稱為「超量子糾纏」。

雖然前人的研究中多是採取增加光子數或者離子數來增加量子比特數，但是利用多個自由度能夠更高效提高拓展量子比特數。而且，此舉能在相同量子比特下使用更少的粒子（光子）數，從而進一步增加整個系統的穩定性。某些需要大量計算量和存儲量的量子信息技術也將受益，例如量子超密編碼、簡化量子邏輯門技術以及多自由度單光子傳輸技術等。

上圖中的a 到 e ，我們能看到整個 18 位量子比特量子糾纏系統的簡化結構圖，其中 a 和 b 是量子糾纏的編碼部分，cde 是相應的測量部分。

入口處，一束波長為 788nm、脈衝持續時間 120fs、重複頻率 76MHz 的超快激光通過三硼酸鋰（LBO）的二向色濾光片（Dichroic filter）轉換為 394nm 的光。隨後這束光繼續通過由兩個β-硼酸鋇（BBO）和一個半波片（HWP）組成三明治式非線性晶體，產生三對糾纏光子，如圖 a 中所示的 1-6。

接著，每個光子經過不同厚度和方向的 YVO4晶體進行空間和相位的修正，再依次通過編碼偏振的 PBS、編碼路徑的 PBS（偏振分束器）和編碼軌道角動量的 SPP，最終得到的就是擁有三自由度的單光子量子態。

而測量部分就像是編碼部分的鏡像系統，依次解碼就得到了信息。量子糾纏的解碼過程其實就好像是你坐在國內的家中，知道了、在大洋彼岸的孫子出生了，但是你的兒子眾多，一時之間無法得知是誰生的小孩，那你只能從孫子的照片上找一些蛛絲馬跡，推斷出整體的信息，例如這原來是小五生的第三個兒子。但是如果隔了 18 代呢？這個推導過程可就長了，獲得的信息將會是 2^8=262144 種不同的狀態，數據量十分巨大，這也就需要高效且保真度高的測量系統。

此次 18 位量子比特量子糾纏系統採用了共計 48 個單光子探測器，能夠同時測量出 262144 種組合，且最終的量子態保真度已達 0.708±0.016。一般認為，多粒子量子糾纏系統中，量子態保真度超越 0.5 就已經足夠進行有效量子糾纏了。

一句話，潘建偉團隊打造的 18 位量子比特量子糾纏系統既創造了量子比特位數的世界紀錄，也開創了採用多粒子多自由度提高量子比特位數的創新思路。

圖 | 位於紐約 YorktownHeights 的 Thomas J.Watson 研究中心的 IBM 量子計算中心將量子計算機放在大型低溫容器（最右邊）中，使其被冷卻到接近絕對零度的溫度

此次成果在歐美各國都積極整合各方面研究力量和資源，開展國家級的協同攻關的當下，對中國的量子技術發展有著更深層次的意味：歐盟在 2016 年就宣布啟動量子技術旗艦項目；而美國國會也在最近正式通過了「國家量子行動計劃」；諸如谷歌、微軟、IBM 等大型高科技公司也早已強勢投入量子計算研究中……而這一次，中國沒有落後。正如馬里蘭大學帕克分校的量子物理學家 Christopher Monroe 說 : 「 一年總會有那麼幾次，當我讀到他們（潘健偉團隊）正在做的事情時感到十分震驚。」

參考：

[1]Wang X L, Luo Y H, Huang H L, et al. 18-qubit entanglement with photon"s three degrees of freedom[J]. 2018.

[2]Barreiro J T, Langford N K, Peters N A, et al. Generation of hyperentangled photon pairs.[J]. Physical Review Letters, 2005, 95(26):260501.

[3]Gao W B, Lu C Y, Yao X C, et al. Experimental demonstration of a hyper-entangled ten-qubit Schr?dinger cat state[J]. Nature Physics, 2008, 6(5):331-335.

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