中科大潘建伟团队首次实现18个光量子比特的纠缠

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中国科技大学潘建伟团队首次实现了18个光学量子比特的纠缠

量子计算的时代更近了(解码和发现)

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位于中国科技大学东区理化大楼的“01003”实验室里，有错综复杂的管道和各种光电设备。中国科技大学的潘剑伟教授和他的团队正在不断解决这里的关键问题，创造了光学量子比特纠缠数的新世界记录。几天前，潘剑伟和他的同事卢朝阳、刘乃乐、王希林首次实现了世界上18个光学量子比特的纠缠，并再次创造了所有物理系统中最大纠缠态制备的世界纪录。

什么是量子位？什么是量子纠缠？逐一创造新的世界纪录有什么意义？

量子纠缠是多粒子条件下量子叠加的一种特殊形式

“量子是能量的最小单位。众所周知，分子、原子和电子等微粒状态的变化都涉及能量的变化。在这个过程中改变的能量是量子的。例如，日常生活中的光是由大量的光量子组成的。”中国科技大学的研究员王西林说。

什么是量子位？当任何信息被编码、操作和处理时，就有一个叫做位的基本处理单元。比特是从英语比特音译而来的，英语比特是信息的度量单位和最小的信息单位。潘建伟团队的研究人员介绍说，手机和电脑等电子计算机常用的位被称为经典位。量子比特是量子信息处理最基本的单位。

那么，什么是量子比特的纠缠？

“在宏观经典世界里，0就是0，1就是1。在微观量子世界中，一个态可以以1和0的叠加形式存在。它既不是0也不是1，但它既是0又是1。”王希林把它描述为著名的“薛定谔的猫”。“在经典世界里，猫不是活着就是死了，但在量子世界里，猫可能是‘死’和‘活’的叠加。”经典位只有两种状态:0或1。然而，一个量子位不仅可以处于0或1状态，还可以处于“0+1”的叠加状态。

量子纠缠是多粒子条件下量子叠加的一种特殊表现。王西林拿起两张纸解释。在经典片段的场景中，一张纸面朝上和面朝下，与另一张纸没有联系。但是当有两个量子位时，量子纠缠就会出现。

“当两个量子位纠缠在一起时，即使它们相隔很远，人们也会发现当一张纸面朝上时，另一张纸面朝上；当一张纸面朝下时，另一张也面朝下；当三个量子位纠缠在一起时，我们发现当一张纸面朝上时，另外两个也面朝上；当一张纸落下时，另外两张纸也落下；以此类推，18个量子位是纠缠在一起的，即18个同时面朝上，或者18个同时面朝下，并且处于18个0+18个1的叠加状态。”王西林说道。

量子计算需要多个光学量子位纠缠在一起，而且越多越好。

“由经典计算机处理的经典位一次只能处理一个数据。在未来，量子计算机在处理量子位时可以处于多个数据的相干叠加状态，这具有很强的并行计算优势。”王希林将其描述为“一台操纵N个量子比特的量子计算机，原则上可以同时对2的N次幂数据进行数学运算，相当于经典计算机重复执行2的N次幂运算。”

数据处理可以实现并行运算，运算速度将大大提高。与此同时，量子计算速度将随着实验中可操控的纠缠比特数的增加而呈指数级增长。多量子位的相干操作和纠缠态的制备是发展可伸缩量子信息技术，特别是量子计算的核心指标。量子计算需要多个光学量子位的纠缠，而且越多越好。

然而，为了在下一步实现更多量子比特的纠缠，需要高精度和高效率的量子态制备以及精确调节独立量子比特之间的相互作用。然而，随着量子位数量的增加，由操纵引起的噪声、串扰和误差也随之增加。这对量子系统的设计、处理和控制提出了极高的要求，对量子纠缠和量子计算的发展提出了巨大的挑战。

如何缓解上述问题，实现增加量子比特纠缠数的目标，研究小组最近重点研究了多自由度光子的控制方法。“例如，一个光子用于编码一个量子位，而10个光学量子位的纠缠需要10个光子。如果光学量子比特的纠缠数增加，就有必要增加光子数，但这太困难了。我们现在正在考虑是否可以用一个光子编码多个光学量子位。”王希林解释说，通过操纵一个光子的偏振、路径、轨道角动量等自由度，一个光子可以编码三个光量子位，这样六个光子可以编码18个光量子位，实现了18个光量子位的纠缠，同时有效地缓解了因光子数增加而可能带来的各种问题。

将来，量子计算机可以应用于需要大规模计算的科学问题

"量子比特纠缠的数量越多，可以实现的量子计算能力就越强."据该团队领导称，他们希望在未来三到五年内实现量子计算中大约50个纠缠量子比特的一致操控，这样他们的计算能力就可以在解决某些特定问题上与最好的经典超级计算机相媲美或超越。

根据这一理论，量子计算的前景远远不止于此。王西林说，量子计算的并行性带来的指数加速将远远超过现有经典计算机的速度。当量子计算时代到来时，用一台具有千兆赫时钟频率的量子计算机，只需10秒钟就能解决一个包含数十亿个变量的线性方程组。现在，使用世界上最快的超级计算机至少需要数百年。

“如果100个粒子可以被纠缠和操纵，量子计算的计算能力可以达到目前世界总计算能力的100万倍。当量子计算机被应用时，诸如天气预报和药物设计等需要大规模计算的当前科学问题将得到解决。”比如王希林，比如说，在目前的天气预报中，一个月以后的天气预报可能需要100天，但是经过100天的计算，就失去了预报的意义。然而，在未来应用量子计算后，一个月后的预测可能在几秒钟内完成。

孙圳·李佳璘