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清华首次实现25个量子接口之间量子纠缠 刷新纪录
日期:2018-05-03     作者:新京报

  清华团队刷新量子接口纠缠数目纪录

  薛定谔的猫、爱因斯坦和波尔的辩论……100多年前科学家把量子力学带进大众视野,从此对于量子力学的探索就伴随着人类社会的每一步。近年来,量子计算机、量子互联网,这些词汇越来越频繁地出现在媒体头条,“量子”时代似乎未来可期。

  近日,清华大学段路明教授研究组在量子信息领域取得重要进展,首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠,打破了先前加州理工学院研究组4个量子接口之间纠缠的世界纪录。

  纠缠的量子接口数破世界纪录

  量子、接口、纠缠,这一个个词汇看起来和我们的生活不沾边,不过把视角从大变小会容易很多。日常生活中我们的手机有天线接口,电脑有网线接口,接口是信息传递的一个通道。段路明团队做的就是量子世界里的接口。

  量子接口用于实现量子信息在传递粒子(光子)和存储粒子(通常为原子)之间的相干转化,是连接量子存储器或量子计算单元与光量子通信通道间的重要界面。类似于手机、电脑网口、USB这些接口在经典信息的广泛应用,量子接口也是量子信息领域的一个基本元器件。

  2010年,加州理工学院研究组实现了4个量子接口之间的纠缠,代表此前的国际纪录。此次,清华大学段路明团队首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠,把世界纪录提高了约6倍。

  25个接口意味着,接口更多了,能把大家有效地连接起来。就像是在互联网里,用户更多了,把不同的内容都能包容进去了,为量子互联网构建的“万里长征”又往前走了一步。

  据段路明教授介绍,量子接口是一个构件,是量子信息领域的一个基本元器件,量子接口要把存储信息的粒子(原子)跟通信的粒子(光子)做有效的量子连接,即产生纠缠。要保证量子接口有效,首先要保证不同类型粒子可以互相纠缠在一起。有纠缠就可以做到量子信息的传播,增加接口就会扩大量子网络的规模。实现量子接口之间的纠缠是构建量子网络和未来量子互联网的一个基本要求。

  量子纠缠须纯净可控如“心心相印”

  增加量子接口说到底还是要实现量子纠缠,为量子信息发展再推动一步。

  那科学家想要实现的量子纠缠是什么呢?量子世界有两个重要特性:量子叠加和量子纠缠。

  量子纠缠通俗理解常常被比喻为“远程心灵感应”,爱因斯坦也称其为“鬼魅般超距作用”。也就是说,两个量子纠缠,量子A状态改变可以对量子B产生影响,就像有心灵感应一样。

  有这样属性的量子纠缠,是信息传递、信息保密的最重要的基本资源,是实现量子通信和量子计算机的基石。但有效的量子纠缠并不是那么容易做到的,有效的量子信息传播需要高纯度的纠缠状态。“我们需要的纠缠是很纯净可控的纠缠,就像是两个人之间心心相印。”段路明说。

  看起来似乎“遥不可及”的量子互联网、量子计算机为何吸引了诸多科学家的目光?

  量子计算机将突破经典计算机的瓶颈。经典的计算机中,只有0和1,每个比特都是这两种状态,但量子可以处在0和1的叠加状态,那么这样操纵的量子比特数目增多,对于某些问题,它就可以通过量子并行计算,以指数增长的形式来提升它的运算速度。

  ■ 对话

  清华大学教授段路明:

  最终目标是未来的量子互联网技术

  新京报:量子接口具体是指什么?

  段路明:量子接口用于信息连接,把不同的量子媒介,通过量子通信通道连接起来,这是一个基本的元器件。

  所有信息装备都需要接口,例如手机天线接口、网线接口等,我们在量子网络里也需要接口。把量子的信息(也就是微观粒子状态的信息)从一种介质,例如量子存储器,通过接口传输到通信的量子比特上。

  通信的比特我们通常用的是光子,因为在所有的信息载体里,光子跑得最快,最适合做通信的工具。

  量子接口要把存储的粒子和通信的粒子做有效的量子连接,怎么证明接口有量子性,一种方式就是把量子接口互相纠缠在一起,我们做的就是多个量子接口的量子纠缠,在25个量子接口之间实现量子纠缠。

  新京报:25个量子接口之间的量子纠缠,把世界纪录提高了6倍,是如何做到的?

  段路明:我们的实验思路不同,之前那种方法已经基本到了极限,按照原来那种方法突破比较困难。我们换了一个思路,之前加州理工学院做的是4个接口,是单线排列的。我们用了二维平面的接口阵列,用一种可编程的方式,来控制5×5的量子接口阵列,以实现纠缠。

  新京报:增加量子接口间的量子纠缠难点在哪?

  段路明:随着量子接口数量增加,实现纯净可控的量子纠缠就很困难。

  新京报:可控的量子纠缠是指?

  段路明:量子纠缠是我们日常一个很难理解的概念,但在量子信息中是一个很基本的资源,不是很神秘的东西,任何量子粒子通过相互作用都可以产生纠缠,但通常粒子与很多外界的环境粒子纠缠,这种不可控的纠缠导致噪声。我们需要的是很纯净可控的纠缠,就像是两个人之间心心相印,建立单线联系。

  新京报:未来的应用是什么?

  段路明:这个技术在量子信息研究中是万里长征的一步,最终的发展目标是未来的量子互联网技术。要实现这个目标需要一些基本元器件,而纠缠的量子接口提供了一个这样的元器件。

  ■ 背景

  中国近年量子研究进展

  近几年,全世界都在对量子领域进行探索,量子通信、量子网络在步步构建。

  2016年8月,中国自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星“墨子号”升空。“墨子号”的主要应用目标是通过卫星和地面站之间的量子密钥分发,实现星地量子保密通信,并通过卫星中转实现可覆盖全球的量子保密通信。

  2017年6月,中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟等人利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,在空间量子物理研究方面取得重大突破。

  2017年5月3日,中国科学院在上海召开新闻发布会,宣布世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在我国诞生。“超越早期经典计算机”是什么概念?答案是,比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍。

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