多光子糾纏及干涉度量——2015年國家自然科學獎一等獎簡介

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多光子糾纏及干涉度量——2015年國家自然科學獎一等獎簡介

本刊資料室

2015年國家自然科學獎一等獎授予中國科學技術大學潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽、陳增兵為主要完成人的“多光子糾纏及干涉度量”研究團隊(圖1)．多光子糾纏及干涉度量課題的主要任務是:根據量子物理原理提供一種全新方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和邏輯操作，并對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，以確保通信安全和提升計算速度等方面可以突破經典信息技術的瓶頸．該課題屬于量子信息學范疇，量子信息學是量子力學和信息科學結合的產物，具有非常重要而廣泛的應用．

圖1　潘建偉研究團隊

1量子糾纏現象發現的歷史簡述

兩個微觀粒子在經過短暫的耦合不再相互作用之后，單獨作用(例如測量)其中一個微觀粒子，將立即影響另一微觀粒子的狀態，盡管兩粒子間相距遙遠，這種關聯現象稱為量子糾纏.

光子糾纏是量子糾纏的一種. 對量子糾纏現象的認識有一段深刻而復雜的歷史過程

從19世紀末到20世紀初，量子力學快速發展并完善起來，解決了許多經典理論不能解釋的現象，大量的實驗事實及實際應用也證明了量子力學是一個成功的物理理論．但是關于量子力學的基本原理的理解卻存在不同的解釋．

1935年E·愛因斯坦、P·波多爾斯基和R·羅森為論證量子力學的不完備性提出了一個悖論(后稱為EPR悖論)：按定域實在論，如果測量后兩個體系不再相互作用，那么對第一個體系的作用，不會使第二個體系發生實在的變化；而按現行量子力學將推導得出，兩個體系測量后即使不再相互作用，對第一個體系所做的作用仍會使第二個體系發生實在的變化，對第一個體系所做的作用不同，第二個體系的變化也將不同．可見，現行量子力學是不完備的，因為它不符合定域實在論，將會引進“鬼魅般的超距作用”．

EPR悖論的提出，引起物理學家，哲學家的巨大震驚與激烈爭論．1964年，貝爾發表了論EPR一文，在此文貝爾推導出一個不等式，可用來檢驗定域實在論與量子力學(非定域性)的對錯．1972~1985年，共進行了14個實驗，都支持量子現象的非定域性．

量子現象的非定域性是量子糾纏的基礎:由于非定域性，兩個互相糾纏的微觀粒子,即使相距非常遙遠，一個粒子的行為將會影響另一個粒子的狀態．當其中一個被操作(例如量子測量)而狀態發生變化，另一個也會即刻發生相應的狀態變化．

2糾纏態的制備

量子糾纏的制備是量子信息處理的基本物理資源，是量子信息領域的研究重點．在量子體系中，光子的正交偏振態，電子或原子核的自旋、原子或量子點的能級等,這些存在兩態(可以表示為1，0)的體系都可以用來制備“糾纏態”． 在糾纏態的制備中,糾纏度是一個重要的物理量. 所謂的糾纏度是指所研究的糾纏態攜帶糾纏量的多少．對糾纏度的描述，實質上是對不同糾纏態之間建立定量的可比關系．糾纏狀態所糾纏的粒子數量越多，對經典物理學的偏離越明顯，獲得有用量子效應的機會就越大．目前，世界上普遍利用晶體中的非線性過程等來產生多光子糾纏態，其難度會隨著光子數目的增加而指數增大．隨研究的進展 , 糾纏態制備的糾纏度不斷增加.例如：

2000年，美國國家標準局在離子阱系統上實現了四離子的糾纏態．

2004年，中國科學技術大學潘建偉在國際上首次成功實現五光子糾纏的操縱．

2005年底，美國國家標準局和奧地利因斯布魯克小組分別宣布實現了六個和八個離子的糾纏態.

2011年,中科院量子信息重點實驗室李傳鋒等在郭光燦院士的領導下，成功制備出八光子糾纏態.

3量子通信

光量子通信主要基于量子糾纏態的理論，使用量子隱形傳輸方式實現信息傳遞．實現光量子通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量(一種操作)，則接收方的粒子瞬間發生坍塌(變化)為某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌(變化)后的狀態是對稱的，然后將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行逆轉變換，即可得到與發送方完全相同的未知量子態，量子通信的過程如圖2所示．

圖2　量子通信的過程

量子通信具有超高安全、超大容量、超遠距離保密通信、傳輸系統幾乎無法破譯等特點，將引起通信領域的重大革命．

4潘建偉研究團隊的主要成果及規劃

潘建偉1992年畢業于中國科學技術大學近代物理系．1995年，獲該校理論物理碩士學位．1996年，遠赴奧地利維也納大學攻讀博士學位，師從量子力學世界級大師塞林格教授，并于1999年獲維也納大學博士學位..從塞林格教授那里, 潘建偉看到了量子信息學的發展前景,選擇了量子信息的研究作為自己的發展方向. 1997年，參加了塞林格教授主持的研究工作,首次成功實現量子態隱形傳送(1997)以及糾纏態交換(1998),開始了量子信息研究的人生.目前,潘建偉已成為該領域有重要國際影響力的科學家.潘建偉及其研究團隊在量子信息學領域取得了一系列有重要意義的研究成果．例如：

2004年，潘建偉團隊在國際上首次實現了五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸;此后，潘建偉團隊分別于2007年制備出六光子糾纏、2012年制備出八光子糾纏，并一直保持著糾纏光子數目的世界紀錄．

在此基礎上，團隊于2007年在國際上首次實現了安全通信距離超過100 km的光纖量子密鑰分發，2008年實現了國際上首個全通型量子通信網絡，2012年建成首個規模化量子通信網絡.潘建偉團隊牽頭承擔的中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”將于今年發射，屆時可以實現高速星地量子通信、并連接地面的城域量子通信網絡，初步構建我國廣域量子通信體系．

潘建偉團隊的科研路線及規劃是：通過量子通信研究，從初步實現局域量子通信網絡，到實現多橫多縱的全球范圍量子通信網絡，以保證信息傳輸的絕對安全；通過量子計算研究，用10~15年構建新一代量子計算機，量子模擬將達到當今世界最快的超級計算機的水平，為大規模計算難題提供解決方案，實現大數據時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現新一代定位導航、醫學檢驗、引力波探測等等．