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多光子糾纏及干涉度量與其應(yīng)用前景

2016年1月8日,2015年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮在人民大會(huì)堂舉辦,其中由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士帶隊(duì),彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)、陳增兵共同完成的“多光子糾纏及干涉度量”項(xiàng)目獲得2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

光子,即光量子的簡(jiǎn)稱,是量子的一種,量子是物理量最小的不可分割的基本單位。在量子世界,有兩個(gè)基本的原理,就是量子疊加和由其引申出來(lái)的量子糾纏?！傲孔盈B加”就仿佛神話中的分身術(shù),但量子的分身術(shù)是不能被人看到的,一旦被觀察到,它的分身就會(huì)隨機(jī)地消失,而只留下一個(gè)。相應(yīng)的,“量子糾纏”就是多個(gè)量子的疊加態(tài),量子之間相互糾纏,即使相距遙遠(yuǎn),一個(gè)量子被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化之時(shí),與其相糾纏的量子也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。多光子糾纏和干涉度量學(xué)就是通過(guò)干涉度量的方法實(shí)現(xiàn)多光子的量子糾纏。例如用一個(gè)紫外光脈沖照射一種叫作BBO的晶體,可以有一定概率產(chǎn)生一對(duì)光子,兩個(gè)光子通過(guò)在偏振分束器上的一次干涉,就可以形成一個(gè)糾纏態(tài)。如果把雙光子干涉產(chǎn)生的糾纏層層累加,擴(kuò)展到更多的光子,就可以形成更多光子的糾纏。針對(duì)量子信息處理尤其是光量子計(jì)算的需求,糾纏的光子數(shù)自然是越多越好,但是產(chǎn)生糾纏的光子數(shù)越多,干涉和測(cè)量的系統(tǒng)也就越復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)難度也就越大。

從2004年開(kāi)始,潘建偉團(tuán)隊(duì)就通過(guò)一個(gè)個(gè)在國(guó)際上原創(chuàng)的多光子干涉和測(cè)量技術(shù),一直保持著糾纏光子數(shù)的世界紀(jì)錄,并且在向應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)拓方面取得了一系列重要的成就。例如：全面演示了量子信息領(lǐng)域的重要算法,包括獨(dú)立光子之間的邏輯門(mén)操作、大數(shù)分解算法、搜索算法、求解線性方程組算法和“任意子”分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象的量子模擬；發(fā)展了誘騙態(tài)編碼等量子密鑰分發(fā)技術(shù),利用自主研發(fā)的低噪聲單光子探測(cè)器,克服了量子通信中光源和探測(cè)器件不完美帶來(lái)的兩大安全隱患,使得安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)成為可能；從理論上提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于冷原子量子存儲(chǔ)的量子中繼基本單元,在原理上證明了大尺度量子通信的可行性；在突破光量子態(tài)穿越大氣層等效厚度、克服星地通道損耗等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,率先實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài),為未來(lái)實(shí)現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。2016年,該團(tuán)隊(duì)承擔(dān)研制的世界首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”將發(fā)射升空,將實(shí)現(xiàn)世界首個(gè)星地間的量子保密通信和量子隱形傳態(tài)。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)建設(shè)的世界首個(gè)量子保密通信主干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”也即將建成,將推動(dòng)量子保密通信進(jìn)入軍事、銀行、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等多個(gè)行業(yè)之中。這些都顯示了多光子糾纏及干涉度量的廣闊的應(yīng)用前景。（魏亮/摘編自新浪科技）