把“命门”掌握在自己手中

本报记者 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……中国科学技术大学教授潘建伟团队不断刷新着光量子比特纠缠数目的世界纪录。

    3月13日下午,潘建伟做客北京航空航天大学沙河校区，带来了题为“新量子革命：从量子物理基础检验到量子信息技术”的讲座。

    潘建伟讲到，可以预期，以量子信息技术为代表的第二次量子革命一定会带来人类社会物质文明的巨大进步，同时也给了我国一个从经典信息技术时代的跟随者、模仿者，转变为未来信息技术引领者的伟大机遇。

    纠缠是量子科学极其重要的资源

    今天我们使用的各种类型计算机，基本单元都是一个个集成化了的晶体管，每个晶体管用来表示0或者1的信息，通过各种逻辑运算，得到计算结果。

    但芯片的集成密度总有物理极限，特别是处理一些特定的复杂问题，如大数分解，现有计算机处理起来的时间可能要以成百上千年为单位。

    中国有个词叫“歧路亡羊”，岔路之中又有岔路的复杂迷宫中，很难找到目标。而量子计算，就好比玩一种神秘的迷宫游戏，它可以利用不多的量子比特，同时幻化出很多个分身，在很多很多的岔路上寻找目标，在极短时间内完成任务。

    “这样的能力，来源于量子叠加原理——量子比特同时处于0和1的叠加态。随着比特数的增加，计算能力将指数增加！”潘建伟团队刘乃乐研究员告诉科技日报记者，对于经典计算机来说，两个比特在某一时刻只可能表示00，01，10，11四种可能性中的一种，而量子计算里，两个比特单位可以同时容纳4个值：00，01，10和11。

    “也就是说，我们可以同时对2的N次方个值进行操纵，而这都得依仗量子纠缠才会实现。”刘乃乐解释说。

    有人估计，当处于纠缠态的量子比特数目达到50左右，量子计算机就可以在某些特定任务上令任何一台经典计算机望尘莫及，即所谓的“量子霸权”。

    除量子计算以外，对于量子科学的其他领域来说，纠缠都是极其重要的资源。比如，量子保密通信、量子隐形传态，就是借助了纠缠，才实现了量子态的传送。“有了对于纠缠粒子的操控，才能实现量子世界的神奇和瑰丽。” 刘乃乐说。

    增加量子比特数，运用更多“自由度”

    “多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备，是量子计算的最核心指标。”刘乃乐告诉记者，由于技术上的种种限制，无论采取哪种粒子体系，对纠缠粒子的控制和测量都没有想象的那般容易。对于光子体系来说，最大的困难来自于效率问题。当操纵多个光子，单位时间内同时产生多个光子的概率低得难以忍受。

    如果操纵多个光子不现实，能不能在操纵比较少数目的光子的情况下，产生尽可能多的纠缠呢？

    科学家想到了一个办法——利用光子的多个自由度。你向陌生人描述某人的时候，可以告诉他某人的身高、体重、肤色、年龄……这些不同维度的信息就是自由度。

    “对于光子也是一样。光子的波长、偏振、轨道角动量、空间路径都是不同维度的信息，都可以用来编码量子比特。”刘乃乐说，将光子的其他自由度尽可能地利用起来，通过控制它们形成量子比特，并保持纠缠。

    2015年，潘建伟团队实现了利用偏振和轨道角动量编码的单个光子的多自由度量子隐形传态。多自由度的量子隐形传态这种从“1”到“2”的突破，让人们看到了新的希望。有了这次突破，相干操纵多个光子、多个自由度，实现所谓“超纠缠”的蓝图在科学家脑中渐渐清晰起来。

    但是，3个自由度的超纠缠从技术上来说有很大的挑战，其中最大的挑战，是读取其中一个自由度编码信息的时候，不能破坏其他的自由度编码。

    “我们选取了6个光子的偏振、轨道角动量、空间路径3个自由度来编码18个量子比特。即让6个光子的3个自由度形成了一种超纠缠态，可以编码18个量子比特。”刘乃乐说，最难的部分是对量子比特的测量和对纠缠的验证——得巧妙地构造实验，使得对某个光子的每个自由度的测量不影响其他未测的自由度。

    “这当中比较难办的是轨道角动量测量。”刘乃乐说道，这次科学家想了一个非常巧妙的曲线战术，利用一系列光学器件，将轨道角动量信息转化成极化信息，进而进行测量，这样一来，就很容易读出结果了。

    最终，对于每个携带3自由度的单个光子，可以读出八种可能的结果。实验数据表明，信噪比大约为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，所以这次的保真度从统计学意义上明确给出了超纠缠证据。”刘乃乐说。

    量子计算曙光初现

    “量子计算机是真正意义上的并行计算机。”刘乃乐举例说，如果把经典计算机比成一种单一乐器，那么量子计算机就像一个交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况。50个光子纠缠就能让量子计算机的计算能力超越天河二号。

    “这次我们将3个自由度都利用起来，形成的18比特超纠缠效率，大约比单自由度18光子超纠缠状态高出13个数量级！”有了这次探索，科学家们更加有信心将不同自由度纠缠这一法宝进一步应用于大尺度、高效率的量子信息技术，用来探索前人从没有抵达过的量子秘境。

    “量子比特纠缠的数目越大，可实现的量子计算的能力就越强。”刘乃乐表示，他们希望通过未来3年到5年努力，在量子计算方面能实现约50个纠缠量子比特的相干操纵，使其计算能力在某些特定问题的求解上，媲美或超越目前最好的经典超级计算机，实现“量子霸权”。