潘建偉團隊用6個光子實現18個量子比特糾纏，再次刷新世界紀錄

機器之心報道

作者：劉曉坤

潘建偉研究團隊再次刷新量子糾纏世界紀錄，在國際上首次實現 18 個光量子比特的糾纏，同時也刷新了現有物理體系中最大糾纏態製備的世界紀錄。

據介紹，潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，實現了 18 個光量子比特的糾纏。該成果以「編輯推薦」的形式於 6 月 28 日發表在國際物理學權威期刊《物理評論快報》（PRL）上：

論文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.260502

多個量子比特的相干操縱和糾纏態製備是發展可擴展量子信息技術，特別是量子計算的最核心指標。量子計算的速度隨著實驗可操縱的糾纏比特數目的增加而指數級提升。然而，要實現多個量子比特的糾纏，需要進行高精度、高效率的量子態製備和獨立量子比特之間相互作用的精確調控。而量子比特數目的增加，使得操縱帶來的雜訊、串擾和錯誤也隨之增加。利用單個粒子的多個自由度能夠更高效拓展量子比特數，在相同量子比特下使用更少的粒子數，進一步增加整個系統的穩定性。

2016 年底，潘建偉團隊同時實現了 10 個光子比特和 10 個超導量子比特的糾纏，刷新並一直保持著這兩個世界紀錄。潘建偉團隊在過去 20 年一直在國際上引領著多光子糾纏和干涉度量的發展，並在此基礎上開創了光子的多個自由度的調控方法。2015 年，他們首次實現了單光子多自由度的量子隱形傳態，相關成果被英國物理學會新聞網站「物理世界」選為「國際物理學年度突破」。此後，他們又開始探索實現多光子三個自由度的聯合調控。

在這項研究中，研究組自主研發了高穩定單光子多自由度干涉儀，實現了不同自由度量子態之間的確定性和高效率的相干轉換，完成了對 18 個量子比特的 262144 種狀態（2 的 18 次方）的同時測量，這表明單個光子的三個自由度可以獨立操控，從而可視為三個量子比特。

雖然 IBM、英特爾、谷歌等近期宣布實現了更高數目的量子比特樣品的加工，但是這些量子比特並沒有形成糾纏態。

參考閱讀：

• 活在實驗室還是實現霸權？揭開當前量子計算技術進展之謎
• 前沿 | 連發 Science、Nature Physics：谷歌展示量子霸權實現藍圖

該論文早在 1 月 12 日已經發表在 arXiv 上，以下是簡單的編譯介紹，感興趣的讀者可以直接查看原文。

論文：18-qubit entanglement with photon』s three degrees of freedom

arXiv 地址：https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1801/1801.04043.pdf

摘要：量子信息科學的核心主題是對量子粒子實現更多粒子數、內部和外部自由度（DoF）的相干操控，同時保證足夠高的相干性。通過對每個量子比特進行獨立地操控和測量以構建和驗證多粒子糾纏是量子技術的重要基準。目前，人們已經實現了 14 個囚禁離子、10 個光子和 10 個超導 qubit 的糾纏。這裡，我們通過同時調控六個光子的三個不同自由度（包括路徑、偏振和軌道角動量（OAM）），在實驗上實現了 18 qubit 的 GHZ 糾纏。我們為光子的不同自由度之間的可逆量子邏輯操控開發了高度穩定的干涉儀，其精度和效率接近於 1，從而可以同時讀出 2^18=262144 的 18 qubit 的所有可能量子態。我們測量到了 0.708±0.016 的量子態保真度，證實了 18 qubit 的真實糾纏。

圖 1：構建和驗證 18 qubit GHZ 態（由六個光子的三個自由度組成）的實驗方案和設置。a. 生成六光子的偏振糾纏 GHZ 態。一束中心波長為 788nm、脈衝持續時間為 120fs、重複頻率為 76MHz 的超高速激光聚焦於一塊三硼酸鋰晶體（LBO）上，並上變頻到 394nm。紫外激光聚焦於自主設計的三明治形狀的非線性晶體上，每塊晶體由兩個 2mm 厚度的β-硼酸鋇（BBO）和一個半波片構成，以生成三對糾纏光子。在每個輸出中，兩塊不同厚度和光軸方向的 YVO4 晶體被用於雙折射效應的時間空間補償。三對糾纏光子在兩個偏振分束器（PBS）上組合，以生成六光子偏振糾纏 GHZ 態。b. 每個單光子會穿過兩塊 PBS 和兩塊螺旋相位板，以製備成單光子 3 qubit 態。c. 對空間 qubit 的閉合（虛線）或開放（無虛線）干涉測量配置。d. 偏振測量。e. 通過一個交換門相干地將 OAM 轉換為偏振的高效率和雙通道 OAM 讀出。f. 在 b 和 c 中使用的真實設置的照片。通過垂直平移，在閉合和開放之間轉換變得很方便。g. 實時監控空間（f）和 OAM（h）測量的可見性。h. 在 e 中使用的真實設置的照片。（DP：鴿子稜鏡）

圖 2：18 qubit GHZ 糾纏的實驗數據。其中 a、b、c、d 分別是 N=1、3、12、18 qubit 的在疊加態基（|0>+e^iθ|1>）/√2 上進行測量的。誤差條表示標準差，由實驗檢測的 N qubit 事件的泊松傳播計數統計得到。在 a-c 中，誤差條小於數據點。在 e 中，18 qubit 事件在 0/1 測量基上累積 2 小時測量得到，在 512x512=262144 的二維矩陣上展示。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！