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中國科大潘建偉院士，再次刷新世界記錄！

2018-07-04 11:11:33 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調(diào)控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。該成果以“編輯推薦”的形式發(fā)表在《物理評論快報》上，從投稿經(jīng)國際同行評議到被正式接收，只用了三個星期的時間。

論文鏈接：

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

由于量子信息技術(shù)的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國家級的協(xié)同攻關(guān)。例如，歐盟在2016年宣布啟動量子技術(shù)旗艦項目；最近，美國國會也正式通過了“國家量子行動計劃”；此前，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強(qiáng)勢介入量子計算研究。

多個量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴(kuò)展量子信息技術(shù)，特別是量子計算的最核心指標(biāo)。量子計算的速度隨著實驗可操縱的糾纏比特數(shù)目的增加而指數(shù)級提升。然而，要實現(xiàn)多個量子比特的糾纏，需要進(jìn)行高精度、高效率的量子態(tài)制備和獨(dú)立量子比特之間相互作用的精確調(diào)控。量子比特數(shù)目的增加，使得操縱帶來的噪聲、串?dāng)_和錯誤也隨之增加。這對量子體系的設(shè)計、加工和調(diào)控要求極高，對量子糾纏和量子計算的發(fā)展構(gòu)成了一個巨大的綜合挑戰(zhàn)。

多粒子糾纏的操縱作為量子計算不可逾越的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。2016年底，潘建偉團(tuán)隊同時實現(xiàn)了10個光子比特和10個超導(dǎo)量子比特的糾纏，刷新并一直保持著這兩個世界記錄。近期，出于商業(yè)目的，雖然IBM、英特爾、谷歌等宣布實現(xiàn)了更高數(shù)目的量子比特樣品的加工，但是這些量子比特并沒有形成糾纏態(tài)。

圖1：用于創(chuàng)建和驗證由6個光子和3個d.o.f組成的18量子比特GHZ態(tài)的方案和實驗裝置

潘建偉及其同事在過去20年一直在國際上引領(lǐng)著多光子糾纏和干涉度量的發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上另辟蹊徑地開創(chuàng)了光子的多個自由度的調(diào)控方法。2015年，通過實現(xiàn)對光子偏振和軌道角動量兩個自由度的量子調(diào)控技術(shù)和單光子非破壞測量，潘建偉、陸朝陽研究組首次實現(xiàn)單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，相關(guān)成果被英國物理學(xué)會（Institute of Physics）新聞網(wǎng)站《物理世界》（Physics World）選為“國際物理學(xué)年度突破（Breakthrough of the Year）”。

圖2：18量子比特GHZ糾纏的實驗數(shù)據(jù)

此后，研究組進(jìn)入實現(xiàn)多光子三個自由度的聯(lián)合調(diào)控這一“無人區(qū)”。通過多年的不懈探索和技術(shù)攻關(guān)，研究組自主研發(fā)了高穩(wěn)定單光子多自由度干涉儀，實現(xiàn)了不同自由度量子態(tài)之間的確定性和高效率的相干轉(zhuǎn)換，完成了對18個量子比特的262144種狀態(tài)的同時測量。在此基礎(chǔ)上，研究組成功實現(xiàn)了18個光量子比特超糾纏態(tài)的實驗制備和嚴(yán)格多體純糾纏的驗證，創(chuàng)造了所有物理體系糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。這一成果可進(jìn)一步應(yīng)用于大尺度、高效率量子信息技術(shù)，表明我國繼續(xù)在國際上引領(lǐng)多體糾纏的研究。該研究工作得到了自然科學(xué)基金委、科技部、中科院、教育部等單位的支持。

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責(zé)任編輯：韓鑫