潘建偉團隊實現18個光量子比特糾纏，再次刷新世界紀錄

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夏乙 問耕 發自 凹非寺

量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

又一個突破誕生！

中國科大宣布在國際上首次實現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製備的世界紀錄。

沒錯，刷新這個紀錄的，又是潘建偉教授團隊，包括：陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等人。

這一成果可進一步應用於大尺度、高效率量子信息技術，表明我國繼續在國際上引領多體糾纏的研究。

這篇論文，以「編輯推薦」的形式發表在頂級學術周刊《物理評論快報》上，據報道從投稿到接收，只用了三個星期。

論文的傳送門在此：

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

如果你不是註冊用戶，還有另一個閱讀通道。實際上，今年1月，潘建偉團隊的這個論文的預印版，也發布在了arXiv上。

arXiv傳送門在此：

https://arxiv.org/abs/1801.04043

量子位也搬運了這個預印版的一些內容如下。

摘要

量子信息科學的核心主題之一，是控制數量不斷增長的量子粒子，以及這些粒子的內部與外部自由度，同時保持高度的一致性。通過獨立控制和測量每個量子比特，來創建和驗證多粒子糾纏的能力，是量子技術的重要基準。

為實現這些，已發表的真多體糾纏研究最高實現了14個囚禁離子、10個光子和10個超導量子比特。

這裡，我們通過同時利用六個光子的三個不同自由度，包括路徑、偏振和軌道角動量（OAM），實驗性的展示了18個量子比特GHZ糾纏。

我們為光子不同自由度之間的可逆量子邏輯運算，開發了高穩定性干涉儀，其精度和效率接近於1，可同時讀出18個量子比特狀態產生的218=262,144種結果組合。

這一實驗的量子保真度測量為0.708±0.016，證明全部18個量子比特的真實糾纏。

這是GHZ糾纏的實驗數據。

而上圖展示的，是六光子偏振糾纏GHZ態的產生過程：

將中心波長788nm、脈衝持續時間120fs、重複頻率76MHz的超快激光聚焦於三硼酸鋰（LBO），並向上轉換為394nm。

將紫外激光聚焦於三個訂製的三明治式非線性晶體上，產生三對糾纏光子。其中每個晶體由兩個2毫米厚的β-硼酸鋇（BBO）和一個半波片（HWP）組成。

每個輸出中，都使用了兩片不同厚度和方向的YVO4晶體，對雙折射效應進行空間和時間補償。

三對糾纏的光子組合在兩個偏振分束器（PBS）上，就產生了六光子偏振糾纏GHZ態。

攻堅克難

中國科技大學在官方消息中指出，由於量子信息技術的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國家級的協同攻關。

例如，歐盟在2016年宣布啟動量子技術旗艦項目；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等也紛紛強勢介入量子計算研究。

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。量子計算的速度隨著實驗可操縱的糾纏比特數目的增加而指數級提升。

然而，要實現多個量子比特的糾纏，需要進行高精度、高效率的量子態製備和獨立量子比特之間相互作用的精確調控。

量子比特數目的增加，使得操縱帶來的雜訊、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一個巨大的綜合挑戰。

多粒子糾纏的操縱作為量子計算不可逾越的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。

2016年底，潘建偉團隊同時實現了10個光子比特和10個超導量子比特的糾纏，刷新並一直保持著這兩個世界記錄。

近期，出於商業目的，雖然IBM、英特爾、谷歌等宣布實現了更高數目的量子比特樣品的加工，但是這些量子比特並沒有形成糾纏態。

潘建偉團隊

1987年，潘建偉從浙江考入中國科學技術大學近代物理系，第一次接觸到了量子力學。

他和同事在過去20年一直在國際上引領著多光子糾纏和干涉度量的發展，並在此基礎上另闢蹊徑地開創了光子的多個自由度的調控方法。

2015年，通過實現對光子偏振和軌道角動量兩個自由度的量子調控技術和單光子非破壞測量。

通過多年的不懈探索和技術攻關，研究組自主研發了高穩定單光子多自由度干涉儀，實現了不同自由度量子態之間的確定性和高效率的相干轉換，完成了對18個量子比特的262144種狀態的同時測量。

△ 潘建偉入選2017《自然》十大科學人物

在此基礎上，研究組成功實現了18個光量子比特超糾纏態的實驗製備和嚴格多體純糾纏的驗證，創造了所有物理體系糾纏態製備的世界紀錄。

此外，潘建偉還和團隊一起建成了國際上規模最大的量子通信網路，從太空建立了迄今最遙遠的量子糾纏，構建出世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機……

前不久潘建偉指出，曼哈頓計劃使得美國率先掌握核武器影響20世紀的政治格局，量子信息技術從某種意義上講是和平年代的「核武器」。由於我國重視比較早，目前處於並跑狀態。

潘建偉現擔任中國科學技術大學常務副校長，中國科學院量子信息與量子科技創新研究院院長，中國科學院院士等職。

論文

如果你想直接下載PDF版本的預印版論文，可以在量子位公眾號（QbitAI）後台，回復：「18」這個數字，即可獲得。

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