中国科大首次实现18个量子比特的纠缠 再次刷新量子纠缠世界记录

 

中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控六个光子的偏振、路径和轨道角动量三个自由度，在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠，刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。该成果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》上。

由于量子信息技术的巨大潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展国家级的协同攻关。例如，欧盟在2016年宣布启动量子技术旗舰项目；最近，美国国会也正式通过了“国家量子行动计划”；此前，大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也纷纷强势介入量子计算研究。

多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备是发展可扩展量子信息技术，特别是量子计算的最核心指标。量子计算的速度随着实验可操纵的纠缠比特数目的增加而指数级提升。然而，要实现多个量子比特的纠缠，需要进行高精度、高效率的量子态制备和独立量子比特之间相互作用的精确调控。量子比特数目的增加，使得操纵带来的噪声、串扰和错误也随之增加。这对量子体系的设计、加工和调控要求极高，对量子纠缠和量子计算的发展构成了一个巨大的综合挑战。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算不可逾越的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。2016年底，潘建伟团队同时实现了10个光子比特和10个超导量子比特的纠缠，刷新并一直保持着这两个世界记录。近期，出于商业目的，虽然IBM、英特尔、谷歌等宣布实现了更高数目的量子比特样品的加工，但是这些量子比特并没有形成纠缠态。

潘建伟及其同事在过去20年一直在国际上引领着多光子纠缠和干涉度量的发展，并在此基础上另辟蹊径地开创了光子的多个自由度的调控方法。2015年，通过实现对光子偏振和轨道角动量两个自由度的量子调控技术和单光子非破坏测量，潘建伟、陆朝阳研究组首次实现单光子多自由度的量子隐形传态，相关成果被英国物理学会（Institute of Physics）新闻网站“物理世界”（Physics World）选为“国际物理学年度突破（Breakthrough of the Year）”。此后，研究组进入实现多光子三个自由度的联合调控这一“无人区”。通过多年的不懈探索和技术攻关，研究组自主研发了高稳定单光子多自由度干涉仪，实现了不同自由度量子态之间的确定性和高效率的相干转换，完成了对18个量子比特的262144种状态的同时测量。在此基础上，研究组成功实现了18个光量子比特超纠缠态的实验制备和严格多体纯纠缠的验证，创造了所有物理体系纠缠态制备的世界纪录。这一成果可进一步应用于大尺度、高效率量子信息技术，表明我国继续在国际上引领多体纠缠的研究。

该研究工作得到了自然科学基金委、科技部、中科院、教育部等单位的支持。