实现“量子霸权”，纠缠态制备是关键

“生命之门”掌握在自己手中

我们的记者吴长锋

5光量子比特纠缠，6光量子比特纠缠，8光量子比特纠缠，10光量子比特纠缠，18光量子比特纠缠...中国科技大学潘剑伟教授的团队已经连续创造了光量子比特纠缠的世界纪录。

3月13日下午，潘剑伟参观了北京航空航天大学沙河校区，并发表了题为“新量子革命:从量子物理基础考试到量子信息技术”的演讲。

潘建伟说，可以预料，以量子信息技术为代表的第二次量子革命必将给人类社会的物质文明带来巨大进步，同时也给中国提供了一个从古典信息技术时代的跟随者和模仿者转变为未来信息技术领导者的大好机会。

纠缠是量子科学中极其重要的资源

我们今天使用的各种计算机的基本单元是集成晶体管。每个晶体管用于表示0或1的信息。通过各种逻辑运算，得到计算结果。

然而，芯片的集成度总是有物理上的限制，特别是在处理一些具体复杂的问题时，如大数分解，现有计算机的处理时间可能要花几十万年。

在中国，有一个词叫做“迷路的羊”。在有岔路口的复杂迷宫中很难找到目标。量子计算就像玩一个神秘的迷宫游戏。它可以使用几个量子位，一次变出许多地方，在许多岔道上找到目标，并在很短的时间内完成任务。

“这种能力来自量子叠加原理——量子比特同时处于0和1的叠加态。随着位数的增加，计算能力将成倍增长！”潘建伟团队的研究员刘乃乐告诉《科学日报》，对于一台经典计算机，两位在某个时间只能代表00、01、10和11四种可能性中的一种，而在量子计算中，两位单位可以同时容纳四个值:00、01、10和11。

“也就是说，我们可以同时操纵2的N次方，而这一切都依赖于量子纠缠。”刘乃乐解释道。

据估计，当纠缠量子比特的数量达到大约50个时，量子计算机将能够在某些特定的任务上保持任何经典计算机无法到达，这被称为“量子霸权”。

除了量子计算之外，纠缠对于量子科学的其他领域来说也是极其重要的资源。例如，量子保密通信和量子隐形传态通过纠缠实现量子隐形传态。"量子世界的神奇和壮丽只能通过控制纠缠粒子来实现."刘乃乐说道。

增加量子位的数量，使用更多的“*”

"多量子位的相干操纵和纠缠态的制备是量子计算最核心的指标."刘乃乐告诉记者，由于各种技术限制，无论采用何种粒子系统，对纠缠粒子的控制和测量都不像想象的那么容易。对于光子系统，最大的困难来自效率。当操纵多个光子时，每单位时间同时产生多个光子的概率低得不可接受。

如果操纵多个光子是不现实的，你能在操纵相对少量的光子的同时制造尽可能多的纠缠吗？

科学家们想出了一种利用光子多*度的方法。当你向陌生人描述某人时，你可以告诉他某人的身高、体重、肤色、年龄...这些不同层面的信息是*。

“光子也是如此。光子的波长、偏振、轨道角动量和空间路径都是不同维度的信息，可以用来编码量子位。”刘乃乐说，应该尽可能多地使用光子的其他*度，并且应该通过控制它们来形成量子位并保持纠缠。

2015年，潘剑伟团队实现了由偏振和轨道角动量编码的单光子的多*度量子隐形传态。从“1”到“2”的多*度量子隐形传态的突破给了人们新的希望。随着这一突破，科学家们逐渐清楚地意识到，要实现所谓的“超纠缠”，需要对多个光子和多个*度进行相干操控。

然而，三*度超纠缠在技术上提出了巨大的挑战。最大的挑战是，当读取一个*度的编码信息时，另一个*度不能被破坏。

“我们选择了6个光子的偏振、轨道角动量和空间路径来编码18个量子位。也就是说，让6个光子的3个*度形成一个能编码18个量子位的超纠缠态。”刘乃乐说，最困难的部分是量子位的测量和纠缠的验证——实验必须巧妙构建，使光子每个*度的测量不影响其他未测量的*度。

"测量轨道角动量是困难的."刘乃乐说，这一次科学家们想出了一个非常巧妙的曲线战术，利用一系列光学设备将轨道角动量信息转换成偏振信息，然后进行测量，这样结果就可以很容易地读出。

最后，对于每个携带3个*度的单光子，可以读出8个可能的结果。实验数据表明，信噪比约为4.4，保真度为0.708±0.016。“只要保真度超过0.5的阈值，就可以说实现了真正的多粒子纠缠，因此这一次的保真度在统计上给出了超纠缠的明确证据。”刘乃乐说道。

量子计算的黎明

"量子计算机是真正的并行计算机."刘乃乐说，例如，如果把经典计算机比作一种乐器，那么量子计算机就像一个交响乐团，一次操作可以处理许多不同的情况。50个光子的纠缠将使量子计算机的计算能力超过天河二号。

“这一次，我们利用所有三个*度来形成18位超纠缠效率，比单*度18光子超纠缠态的效率高出约13个数量级！”通过这种探索，科学家们更有信心将不同*度的纠缠这一法宝进一步应用到大规模、高效率的量子信息技术中去，探索前所未有的量子秘密。

"量子比特纠缠的数量越多，可以实现的量子计算能力就越强."刘乃乐表示，他们希望在未来3至5年内，通过努力实现量子计算中约50个纠缠量子位的相干操控，使他们的计算能力在解决某些具体问题上可以与目前最好的经典超级计算机媲美或超越，实现“量子霸权”。