首次實現18個光量子比特的糾纏 量子計算時代更近了

5光量子比特糾纏、6光量子比特糾纏、8光量子比特糾纏、10光量子比特糾纏，18光量子比特糾纏……

在位於中國科技大學東區理化大樓中編號為「01003」的實驗室內，密布著錯綜複雜的管線及各類光學和電子設備，中科大教授潘建偉和他的團隊在這裡不斷攻關，刷新著光量子比特糾纏數目的世界紀錄。日前，潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏，再次刷新了所有物理體系中最大糾纏態製備的世界紀錄。

什麼是量子比特？什麼又是量子糾纏？逐次刷新世界紀錄的意義何在？

量子糾纏，是量子疊加在多粒子條件下的特殊形態

「量子是能量的最小單元，人們所熟知的分子、原子、電子等微觀粒子狀態的改變，都涉及能量變化，這一過程改變的能量就是一份一份的量子。比如日常生活中的光，就是大量光量子組成的。」中科大研究員汪喜林說。

什麼是量子比特？任何信息在編碼、操作、處理等時，都有一個最基本的處理單元，叫做比特。比特是由英文BIT音譯而來，是信息量的度量單位，也是信息量的最小單位。潘建偉團隊研究人員介紹，人們常用的手機、電腦等電子計算機所用到的比特，被稱為經典比特。量子比特就是進行量子信息處理的最基本單元。

那麼，量子比特糾纏又是怎麼一回事？

「在宏觀的經典世界裡，0就是0，1就是1。而在微觀的量子世界中，一個狀態可存在於1和0的疊加，它既不是0、也不是1，但它既是0、又是1。」汪喜林以著名的「薛定諤的貓」進行描述，「在經典世界裡，貓要麼是活的，要麼是死的，但在量子世界裡的貓則可能處於『又死又活』的疊加狀態。」一個經典比特只存在0或1兩種狀態。而一個量子比特，不僅可處於0或1兩種狀態，還可處於「0+1」的疊加態。

而量子糾纏，則是量子疊加在多粒子條件下的特殊表現形態。汪喜林隨手拿起兩張紙進行解釋。在經典比特的場景下，一張紙朝上朝下，與另一張紙沒有任何關聯。但當有兩個量子比特時，就會出現量子糾纏現象。

「當兩個量子比特建立糾纏之後，哪怕把它們分得很遠，人們會發現，當一張紙朝上時，另一張也是朝上；當一張紙朝下時，另一張也朝下；當三個量子比特建立糾纏時，發現一張紙朝上時，另外兩張也朝上；一張紙朝下時，另外兩張紙也朝下；以此類推，18個量子比特糾纏，就是18個同時朝上，或18個同時朝下，且處於18個0+18個1的疊加狀態。」汪喜林說。

量子計算需多個光量子比特糾纏，數量越多越好

「經典計算機處理的經典比特，一次只能處理某一個數據，而將來量子計算機在處理量子比特時，可以處於多個數據的相干疊加狀態，具有強大的並行計算優勢。」汪喜林這樣形容，「操縱N個量子比特的量子計算機，原理上可以對2的N次方個數據同時進行數學運算，相當於經典計算機重複實施2的N次方次操作。」

對數據的處理可以實現運算的並行，運算速度會大大提高，同時，量子計算的速度會隨著實驗可操縱的糾纏比特數的增加而呈指數級提升。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，量子計算需用到多個光量子比特糾纏，數量越多越好。

然而，下一步要實現更多個量子比特的糾纏，需進行高精度、高效率的量子態製備和獨立量子比特間相互作用的精確調控。但隨著量子比特數的增加，操縱帶來的雜訊、串擾和錯誤也隨之增加。這對量子體系的設計、加工和調控要求極高，對量子糾纏和量子計算的發展構成了巨大挑戰。

怎麼緩解上述問題，達到提升量子比特糾纏數的目標，研究團隊近期把重點放在了光子的多個自由度的調控方法上。「比如，1個光子過去往往用於編碼1個量子比特，10個光量子比特的糾纏就需要10個光子。如讓光量子比特糾纏數目提升，就要把光子數再往上提升，但這難度太大了。我們現在就在想，能不能用每個光子編碼多個光量子比特。」汪喜林解釋，現在通過操縱一個光子的偏振、路徑和軌道角動量等多種自由度，讓一個光子編碼3個光量子比特，這樣6個光子就能編碼18個光量子比特，實現18個光量子比特的糾纏，同時有效緩解了因光子數增加而可能帶來的種種問題。

未來量子計算機可應用於需要大規模計算的科學難題

「量子比特糾纏的數目越大，可實現的量子計算的能力就越強。」團隊負責人介紹，他們希望通過未來3年到5年努力，在量子計算方面能實現約50個糾纏量子比特的相干操縱，使其計算能力在某些特定問題的求解上，媲美或超越目前最好的經典超級計算機。

而根據理論預計，量子計算的前景遠不止於此。汪喜林說，藉助量子計算的並行性帶來指數級的加速，將能遠遠超越現有經典計算機的速度。當量子計算時代到來時，利用GHz時鐘頻率的量子計算機求解一個億億億變數的線性方程組，將只需要10秒鐘。而現在，即便是用世界上最快的超級計算機也至少需要幾百年。

「如能糾纏操縱100個粒子，在對某些特定問題的求解方面，量子計算的計算能力可達目前全世界計算能力總和的100萬倍。當量子計算機應用之時，現在的氣象預報、藥物設計等需要大規模計算的科學難題，將有望迎刃而解。」汪喜林舉例，比如現在的氣象預報，想要預報1個月後的天氣可能需要100天的計算時間，但計算上100天之後也就沒了預報的意義，但將來應用了量子計算之後，1個月後的預報可能幾秒鐘的計算時間就可以完成。

來源：人民日報

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