中國在量子計算領(lǐng)域再次取得里程碑式突破！中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊在國際上首次實現(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)制備的世界紀錄。該成果應(yīng)用價值極大，表明我國繼續(xù)在國際上引領(lǐng)多體糾纏的研究。

中科大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)制備的世界紀錄！

作為國際前沿的量子信息科研團隊之一，潘建偉團隊已經(jīng)在光子體系上率先實現(xiàn)了五光量子、六光量子、八光量子和十光量子糾纏，一度保持著國際領(lǐng)先水平。此次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，該成果可進一步應(yīng)用于大尺度、高效率的量子信息技術(shù)，表明我國繼續(xù)在國際上引領(lǐng)多體糾纏的研究。

國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》日前發(fā)表了該成果。

打破自己10光量子糾纏記錄，創(chuàng)造所有物理體系糾纏態(tài)制備的新世界紀錄

多個量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴展量子信息技術(shù)，特別是量子計算的最核心指標。量子計算的速度將隨著可操縱的糾纏比特數(shù)目的增加而指數(shù)級提升。但要實現(xiàn)多個量子比特的糾纏，需要進行高精度、高效率的量子態(tài)制備和獨立量子比特之間相互作用的精確調(diào)控。同時，隨著量子比特數(shù)目的增加，操縱時所帶來的噪聲、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，成為量子糾纏和量子計算發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。

過去20年，潘建偉及其同事一直在國際上引領(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)會新聞網(wǎng)站“物理世界”選為“國際物理學(xué)年度突破”。

2016年底，潘建偉團隊同時實現(xiàn)了10個光量子比特和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。

通過多年技術(shù)攻關(guān)，潘建偉團隊自主研發(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)制備的世界紀錄。

具體技術(shù)：實驗證明18個量子比特GHZ糾纏

對多個粒子的多個自由度實現(xiàn)完全控制是量子信息處理的基本能力。我們通過同時利用6個光子的3個不同自由度，包括它們的路徑、偏振和軌道角動量，實驗證明了18個量子比特Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）糾纏。

研究人員開發(fā)了高穩(wěn)定性的干涉儀，用于光子的不同自由度之間的可逆量子邏輯運算，其精度和效率接近于一，可以同時讀出18個量子比特狀態(tài)產(chǎn)生的218=262144種結(jié)果組合。測量到的量子態(tài)保真度為0.708±0.016，證明全部18個量子比特的真實糾纏。

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。

上圖中展示了用于創(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。其中，

（a）：六光子偏振糾纏GHZ態(tài)的產(chǎn)生。中心波長為為788nm，脈沖持續(xù)時間為140fs，重復(fù)頻率為80MHz超快激光聚焦于三硼酸鋰（LBO）并向上轉(zhuǎn)換為394nm。

紫外激光聚焦在三個專門設(shè)計的三明治型非線性晶體，每個晶體由兩個2毫米厚的β-硼酸鋇（BBO）一個HWP組成，產(chǎn)生三對糾纏光子。

在每個輸出中，使用了不同厚度和方向的兩塊YVO？晶體，以對雙折射效應(yīng)進行空間和時間補償。這三對糾纏光子結(jié)合在兩個偏振分束器（PBS）上，產(chǎn)生六光子偏振糾纏的GHZ態(tài)。

（b）：對于每個單光子，它通過一個雙PBS發(fā)送，并且兩個SPP在單光子三量子比特態(tài)下制備。

（c）：采用閉合（虛線）或開放（無虛線）干涉配置測量空間量子比特。

（d）：偏振測量。

（e）：通過交換門（inset）將OAM轉(zhuǎn)換為偏振，從而實現(xiàn)高效率、雙通道的OAM讀出。

（f）：（b）和（c）中實際使用的裝置的照片。通過垂直平移，可以方便地在打開和關(guān)閉之間切換

（g）：對空間（f）和OAM（h）測量中的可見性進行實時檢測。

（h）：（e）中實際使用的裝置的照片。

圖2：18量子比特GHZ糾纏的實驗數(shù)據(jù)。

搶占“量子霸權(quán)”制高點，糾纏態(tài)制備是關(guān)鍵

由于量子信息技術(shù)的潛在價值，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)。其中，歐盟在2016年宣布啟動量子技術(shù)旗艦項目；美國國會則于6月27日正式通過了“國家量子行動計劃”（National Quantum Initiative，NQI），確保自己不會落后其他發(fā)展量子技術(shù)的國家。

國外高科技巨頭，比如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強勢介入量子計算研究，并且頻頻宣告進步。

尤其是谷歌。谷歌從2014年開始研究基于超導(dǎo)超導(dǎo)的量子計算機。今年3月，谷歌宣布推出 72 量子比特的量子計算機，并實現(xiàn)了 1% 的低錯誤率；5月，谷歌在《自然-物理學(xué)》發(fā)表文章，描述了從隨機量子電路的輸出中采樣位元串（bit-strings）的任務(wù)，這可以被認為是量子計算機的“hello world”程序。在另一篇發(fā)表于Science的論文《用超導(dǎo)量子比特演示量子霸權(quán)的藍圖》（A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits）中，谷歌闡述了量子霸權(quán)的藍圖，并首次實驗證明了一個原理驗證的版本。

不過，IBM、英特爾、谷歌等宣布實現(xiàn)的量子計算機原型，這些量子比特并沒有形成糾纏態(tài)。單純比拼物理量子比特數(shù)，這一優(yōu)勢在應(yīng)用層面尚無太大意義。

前文也說了，多個量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴展量子信息技術(shù)，特別是量子計算的最核心指標。為什么？

經(jīng)典計算機是通過一串二進制代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質(zhì)上并沒有區(qū)別，只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態(tài)下。換而言之，當(dāng)我們測量量子比特的狀態(tài)時，會得到一個一定概率的 0 或 1 。

為了用許多這樣的量子比特執(zhí)行計算任務(wù)，它們必須持續(xù)地處在一種相互關(guān)聯(lián)的疊加態(tài)下，即所謂的量子相干態(tài)。這些量子比特處于糾纏之中，一個比特的變化能夠影響到剩下所有的量子比特。因此，基于量子比特的運算能力將遠遠超過傳統(tǒng)比特。

傳統(tǒng)電子計算機的運算能力隨著比特位的增加呈線性增長，而每增加一個量子比特位，則有可能使量子計算機的運算能力加倍（呈指數(shù)增長）。這也就是為什么 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子計算機有天壤之別。

不過，真正重要的不僅僅是有多少個量子比特（這甚至不是主要因素），而是量子比特的性能好壞，以及算法是否高效。

五光子、六光子、十光子到18個光量子，多粒子糾纏一直引領(lǐng)世界

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術(shù)制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領(lǐng)先水平。

在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個記錄在2016年底被中國科學(xué)家團隊打破：潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實現(xiàn)了當(dāng)時世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測量。

進一步，研究團隊利用超導(dǎo)量子電路，演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。相關(guān)成果也發(fā)表于國際權(quán)威期刊《物理評論快報》。

50個光子糾纏能讓量子模擬機計算能力超越“天河二號”

2017年5月3日，潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組攻關(guān)，利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計算原型機。

潘建偉說，這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典計算能力的量子計算奠定了基礎(chǔ)。