潘建伟团队实现十光子纠缠，能干什么？

据《科技日报》报道，潘剑伟团队最近在量子信息研究领域取得了另一项重大突破。他们通过两种不同的方法制备了综合性能最佳的纠缠光子源，首次成功实现了“十光子纠缠”，创造了纠缠光子态制备的新世界纪录。

虽然这是一个重大突破，但他们没有发表论文。《物理评论快报》以“编辑推荐”的形式公布了结果。美国物理学会网站和英国杂志《自然》在“研究热点”专栏中对此进行了报道。

那么“十光子纠缠”到底是什么，它能做什么？

一般来说，作为基本量子信息处理能力的核心指标，被操控的纠缠光子越多，量子信息处理能力将呈指数级增长，但同时实验实施的难度也会急剧增加。

指数增长的原因是，在量子计算机中，由于量子叠加效应，一个量子位可以同时具有0和1两种状态，这意味着n个量子位可以同时存储和处理2 n个数据。

理论上，只需要六个量子位就能达到目前64位经典计算机的计算能力。40位量子计算机可以在很短的时间内解决1024位计算机花了几十年才解决的问题。50个量子位，当今世界的500个超级计算机，全部加在一起，在功能上不能超过它。

量子计算机不仅会提高他们的计算能力一百倍或一千倍，而且会提高一百倍或一千亿倍。它将使计算能力的飞跃远远超过从算盘到现代超级计算机的改进。

理论上，实验室中任何具有稳定特征能态的可控量子系统都可以用作量子位，如离子、中性原子、光子等。但是单个量子位不可能是量子计算机。为了实现量子操作，用作量子位的粒子必须是纠缠的，也就是说，所有的粒子必须具有相干性。而且，这种状态必须保持尽可能长的时间，也就是说，纠缠必须保持。这是量子计算的两大障碍。

目前，实现量子计算机的两种主要研究方法是基于量子光学的量子计算和固态量子计算。量子光学主要操作束缚在空穴和离子阱中的原子或离子，并操作原子和离子的能级。固态量子计算机包括超导量子干涉或半导体材料量子点的操作。自旋、能级、磁通量和相位都可以作为操作目标。

2004年、2007年和2012年，潘剑伟和他的同事在世界上首次实现了对五光子、六光子和八光子纠缠的操控。2013年，他们首次成功实现了求解线性方程组的实验。2015年，量子机器学习算法首次成功实现。

然而，这仍然是原理演示的本质，制造计算机是两个概念，远非真正的量子计算机。即使获得10个光子。

潘剑伟团队成员卢朝阳教授在2016年初接受《财新》记者采访时表示，他已经说过他们的能力现在可以达到8-10个量子位，但至少需要20-30个量子位才能达到普通电脑的水平。

在光子系统中，潘剑伟的团队可以说是世界上最先进的。当他们能操纵大约30个光子时，他们希望做一些令人惊奇的事情。

然而，光子系统最大的弱点是难以集成。很难想象它能被集成到一个芯片上来制造一台我们熟悉的电脑。

虽然从理论上讲，一个45光子的量子系统的计算能力可以超过天河二号，一个100光子的量子系统可以超过现有的超级计算机几十亿倍，但这不是一个通用计算机，而是一个针对特定问题的量子模拟器。

此外，量子模拟和量子计算机对量子位操作有非常不同的容错要求。前者可以将单个物理位视为一个量子位，但后者需要用5个甚至8个物理量子位对一个逻辑位进行编码，以便进行纠错。换句话说，量子模拟可以用45个光子量子位来完成，但是当涉及到量子计算机时，100位应该是逻辑位，也就是500-800个物理位。

为了制造出真正的量子计算机，目前国际主流是固态量子计算方法。毕竟，光学系统的集成非常困难，超导方法和半导体量子点方法可以遵循原始的半导体平面工艺。

正是基于这样的考虑，半导体量子点系统和超导电子系统目前受到美国和日本的高度重视，这两个系统已经有了成熟的工业基础。

在这方面，去年加入谷歌量子计算机实验室的加州圣巴巴拉大学物理学教授约翰·马丁尼斯的团队是最好的。他们已经可以实现11个超导量子位。

卢朝扬教授还表示，他们的技术路线不会仅限于制造光子系统，而是会选择三个最有前途的系统，一个是光子系统，一个是超冷原子系统，还有超导量子位。这也相当于三步走的策略。第一步是达到普通计算机的水平，这可以通过使用20-30个量子位的光子系统来实现。

他们的第二步是在5-10年内使用超冷原子系统进行量子模拟，以解决在物理化学、材料设计等方面无法清楚计算的问题。第三步的目标是在10-15年内使用超导量子位制造大规模通用量子计算机。

如果我们需要遵循超导的技术路线，这对潘剑伟的团队来说不是钱的问题。这主要是人的问题。他们曾经想从马丁内斯的团队中找到一个中国人，但是他们没有和老板一起去谷歌。有些人是用钱买不到的。