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多光子糾纏及干涉度量——2015年國家自然科學獎一等獎簡介

本刊資料室

2015年國家自然科學獎一等獎授予中國科學技術(shù)大學潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽、陳增兵為主要完成人的“多光子糾纏及干涉度量”研究團隊(圖1)．多光子糾纏及干涉度量課題的主要任務(wù)是:根據(jù)量子物理原理提供一種全新方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和邏輯操作，并對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，以確保通信安全和提升計算速度等方面可以突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸．該課題屬于量子信息學范疇，量子信息學是量子力學和信息科學結(jié)合的產(chǎn)物，具有非常重要而廣泛的應(yīng)用．

圖1　潘建偉研究團隊

1量子糾纏現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的歷史簡述

兩個微觀粒子在經(jīng)過短暫的耦合不再相互作用之后，單獨作用(例如測量)其中一個微觀粒子，將立即影響另一微觀粒子的狀態(tài)，盡管兩粒子間相距遙遠，這種關(guān)聯(lián)現(xiàn)象稱為量子糾纏.

光子糾纏是量子糾纏的一種. 對量子糾纏現(xiàn)象的認識有一段深刻而復(fù)雜的歷史過程

從19世紀末到20世紀初，量子力學快速發(fā)展并完善起來，解決了許多經(jīng)典理論不能解釋的現(xiàn)象，大量的實驗事實及實際應(yīng)用也證明了量子力學是一個成功的物理理論．但是關(guān)于量子力學的基本原理的理解卻存在不同的解釋．

1935年E·愛因斯坦、P·波多爾斯基和R·羅森為論證量子力學的不完備性提出了一個悖論(后稱為EPR悖論)：按定域?qū)嵲谡摚绻麥y量后兩個體系不再相互作用，那么對第一個體系的作用，不會使第二個體系發(fā)生實在的變化；而按現(xiàn)行量子力學將推導得出，兩個體系測量后即使不再相互作用，對第一個體系所做的作用仍會使第二個體系發(fā)生實在的變化，對第一個體系所做的作用不同，第二個體系的變化也將不同．可見，現(xiàn)行量子力學是不完備的，因為它不符合定域?qū)嵲谡?，將會引進“鬼魅般的超距作用”．

EPR悖論的提出，引起物理學家，哲學家的巨大震驚與激烈爭論．1964年，貝爾發(fā)表了論EPR一文，在此文貝爾推導出一個不等式，可用來檢驗定域?qū)嵲谡撆c量子力學(非定域性)的對錯．1972~1985年，共進行了14個實驗，都支持量子現(xiàn)象的非定域性．

量子現(xiàn)象的非定域性是量子糾纏的基礎(chǔ):由于非定域性，兩個互相糾纏的微觀粒子,即使相距非常遙遠，一個粒子的行為將會影響另一個粒子的狀態(tài)．當其中一個被操作(例如量子測量)而狀態(tài)發(fā)生變化，另一個也會即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化．

2糾纏態(tài)的制備

量子糾纏的制備是量子信息處理的基本物理資源，是量子信息領(lǐng)域的研究重點．在量子體系中，光子的正交偏振態(tài)，電子或原子核的自旋、原子或量子點的能級等,這些存在兩態(tài)(可以表示為1，0)的體系都可以用來制備“糾纏態(tài)”． 在糾纏態(tài)的制備中,糾纏度是一個重要的物理量. 所謂的糾纏度是指所研究的糾纏態(tài)攜帶糾纏量的多少．對糾纏度的描述，實質(zhì)上是對不同糾纏態(tài)之間建立定量的可比關(guān)系．糾纏狀態(tài)所糾纏的粒子數(shù)量越多，對經(jīng)典物理學的偏離越明顯，獲得有用量子效應(yīng)的機會就越大．目前，世界上普遍利用晶體中的非線性過程等來產(chǎn)生多光子糾纏態(tài)，其難度會隨著光子數(shù)目的增加而指數(shù)增大．隨研究的進展 , 糾纏態(tài)制備的糾纏度不斷增加.例如：

2000年，美國國家標準局在離子阱系統(tǒng)上實現(xiàn)了四離子的糾纏態(tài)．

2004年，中國科學技術(shù)大學潘建偉在國際上首次成功實現(xiàn)五光子糾纏的操縱．

2005年底，美國國家標準局和奧地利因斯布魯克小組分別宣布實現(xiàn)了六個和八個離子的糾纏態(tài).

2011年,中科院量子信息重點實驗室李傳鋒等在郭光燦院士的領(lǐng)導下，成功制備出八光子糾纏態(tài).

3量子通信

光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳輸方式實現(xiàn)信息傳遞．實現(xiàn)光量子通信的過程如下：事先構(gòu)建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進行聯(lián)合測量(一種操作)，則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌(變化)為某種狀態(tài)，這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌(變化)后的狀態(tài)是對稱的，然后將聯(lián)合測量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對坍塌的粒子進行逆轉(zhuǎn)變換，即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)，量子通信的過程如圖2所示．

圖2　量子通信的過程

量子通信具有超高安全、超大容量、超遠距離保密通信、傳輸系統(tǒng)幾乎無法破譯等特點，將引起通信領(lǐng)域的重大革命．

4潘建偉研究團隊的主要成果及規(guī)劃

潘建偉1992年畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學近代物理系．1995年，獲該校理論物理碩士學位．1996年，遠赴奧地利維也納大學攻讀博士學位，師從量子力學世界級大師塞林格教授，并于1999年獲維也納大學博士學位..從塞林格教授那里, 潘建偉看到了量子信息學的發(fā)展前景,選擇了量子信息的研究作為自己的發(fā)展方向. 1997年，參加了塞林格教授主持的研究工作,首次成功實現(xiàn)量子態(tài)隱形傳送(1997)以及糾纏態(tài)交換(1998),開始了量子信息研究的人生.目前,潘建偉已成為該領(lǐng)域有重要國際影響力的科學家.潘建偉及其研究團隊在量子信息學領(lǐng)域取得了一系列有重要意義的研究成果．例如：

2004年，潘建偉團隊在國際上首次實現(xiàn)了五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸;此后，潘建偉團隊分別于2007年制備出六光子糾纏、2012年制備出八光子糾纏，并一直保持著糾纏光子數(shù)目的世界紀錄．

在此基礎(chǔ)上，團隊于2007年在國際上首次實現(xiàn)了安全通信距離超過100 km的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實現(xiàn)了國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，2012年建成首個規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò).潘建偉團隊牽頭承擔的中科院戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”將于今年發(fā)射，屆時可以實現(xiàn)高速星地量子通信、并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國廣域量子通信體系．

潘建偉團隊的科研路線及規(guī)劃是：通過量子通信研究，從初步實現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)，以保證信息傳輸?shù)慕^對安全；通過量子計算研究，用10~15年構(gòu)建新一代量子計算機，量子模擬將達到當今世界最快的超級計算機的水平，為大規(guī)模計算難題提供解決方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現(xiàn)新一代定位導航、醫(yī)學檢驗、引力波探測等等．