潘建偉團隊刷新世界紀錄：首次實現(xiàn)18個量子比特糾纏

中國在量子計算領域再次取得里程碑式突破！中國科學技術大學潘建偉團隊在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀錄。該成果應用價值極大，表明我國繼續(xù)在國際上引領多體糾纏的研究。

中科大潘建偉教授及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀錄！

作為國際前沿的量子信息科研團隊之一，潘建偉團隊已經在光子體系上率先實現(xiàn)了五光量子、六光量子、八光量子和十光量子糾纏，一度保持著國際領先水平。此次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，該成果可進一步應用于大尺度、高效率的量子信息技術，表明我國繼續(xù)在國際上引領多體糾纏的研究。

國際權威學術期刊《物理評論快報》日前發(fā)表了該成果。

打破自己10光量子糾纏記錄，創(chuàng)造所有物理體系糾纏態(tài)制備的新世界紀錄

多個量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴展量子信息技術，特別是量子計算的最核心指標。量子計算的速度將隨著可操縱的糾纏比特數目的增加而指數級提升。但要實現(xiàn)多個量子比特的糾纏，需要進行高精度、高效率的量子態(tài)制備和獨立量子比特之間相互作用的精確調控。同時，隨著量子比特數目的增加，操縱時所帶來的噪聲、串擾和錯誤也隨之增加。這對量子體系的設計、加工和調控要求極高，成為量子糾纏和量子計算發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。

過去20年，潘建偉及其同事一直在國際上引領著多光子糾纏和干涉度量的發(fā)展，并在此基礎上開創(chuàng)了光子的多個自由度的調控方法。2015年，通過實現(xiàn)對光子偏振和軌道角動量兩個自由度的量子調控技術和單光子非破壞測量，潘建偉、陸朝陽研究組首次實現(xiàn)單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，相關成果被英國物理學會新聞網站“物理世界”選為“國際物理學年度突破”。

2016年底，潘建偉團隊同時實現(xiàn)了10個光量子比特和10個超導量子比特的糾纏，刷新并一直保持著這兩個世界記錄。

通過多年技術攻關，潘建偉團隊自主研發(fā)了高穩(wěn)定單光子多自由度干涉儀，實現(xiàn)了不同自由度量子態(tài)之間的確定性和高效率的相干轉換，完成了對18個量子比特的262144種狀態(tài)的同時測量。在此基礎上，研究組成功實現(xiàn)了18個光量子比特超糾纏態(tài)的實驗制備和嚴格多體純糾纏的驗證，創(chuàng)造了所有物理體系糾纏態(tài)制備的世界紀錄。

具體技術：實驗證明18個量子比特GHZ糾纏

對多個粒子的多個自由度實現(xiàn)完全控制是量子信息處理的基本能力。我們通過同時利用6個光子的3個不同自由度，包括它們的路徑、偏振和軌道角動量，實驗證明了18個量子比特Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）糾纏。

研究人員開發(fā)了高穩(wěn)定性的干涉儀，用于光子的不同自由度之間的可逆量子邏輯運算，其精度和效率接近于一，可以同時讀出18個量子比特狀態(tài)產生的218=262144種結果組合。測量到的量子態(tài)保真度為0.708±0.016，證明全部18個量子比特的真實糾纏。

圖1：用于創(chuàng)建和驗證由6個光子和3個d.o.f組成的18量子比特GHZ態(tài)的方案和實驗裝置。

上圖中展示了用于創(chuàng)建和驗證由6個光子和3個d.o.f組成的18量子比特GHZ態(tài)的方案和實驗裝置。其中，

（a）：六光子偏振糾纏GHZ態(tài)的產生。中心波長為為788nm，脈沖持續(xù)時間為140fs，重復頻率為80MHz超快激光聚焦于三硼酸鋰（LBO）并向上轉換為394nm。

紫外激光聚焦在三個專門設計的三明治型非線性晶體，每個晶體由兩個2毫米厚的β-硼酸鋇（BBO）一個HWP組成，產生三對糾纏光子。

在每個輸出中，使用了不同厚度和方向的兩塊YVO？晶體，以對雙折射效應進行空間和時間補償。這三對糾纏光子結合在兩個偏振分束器（PBS）上，產生六光子偏振糾纏的GHZ態(tài)。

（b）：對于每個單光子，它通過一個雙PBS發(fā)送，并且兩個SPP在單光子三量子比特態(tài)下制備。

（c）：采用閉合（虛線）或開放（無虛線）干涉配置測量空間量子比特。

（d）：偏振測量。

（e）：通過交換門（inset）將OAM轉換為偏振，從而實現(xiàn)高效率、雙通道的OAM讀出。

（f）：（b）和（c）中實際使用的裝置的照片。通過垂直平移，可以方便地在打開和關閉之間切換

（g）：對空間（f）和OAM（h）測量中的可見性進行實時檢測。

（h）：（e）中實際使用的裝置的照片。

圖2：18量子比特GHZ糾纏的實驗數據。

搶占“量子霸權”制高點，糾纏態(tài)制備是關鍵

由于量子信息技術的潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國家級的協(xié)同攻關。其中，歐盟在2016年宣布啟動量子技術旗艦項目；美國國會則于6月27日正式通過了“國家量子行動計劃”（National Quantum Initiative，NQI），確保自己不會落后其他發(fā)展量子技術的國家。

國外高科技巨頭，比如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強勢介入量子計算研究，并且頻頻宣告進步。

尤其是谷歌。谷歌從2014年開始研究基于超導超導的量子計算機。今年3月，谷歌宣布推出 72 量子比特的量子計算機，并實現(xiàn)了 1% 的低錯誤率；5月，谷歌在《自然-物理學》發(fā)表文章，描述了從隨機量子電路的輸出中采樣位元串（bit-strings）的任務，這可以被認為是量子計算機的“hello world”程序。在另一篇發(fā)表于Science的論文《用超導量子比特演示量子霸權的藍圖》（A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits）中，谷歌闡述了量子霸權的藍圖，并首次實驗證明了一個原理驗證的版本。

不過，IBM、英特爾、谷歌等宣布實現(xiàn)的量子計算機原型，這些量子比特并沒有形成糾纏態(tài)。單純比拼物理量子比特數，這一優(yōu)勢在應用層面尚無太大意義。

前文也說了，多個量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴展量子信息技術，特別是量子計算的最核心指標。為什么？

經典計算機是通過一串二進制代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質上并沒有區(qū)別，只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態(tài)下。換而言之，當我們測量量子比特的狀態(tài)時，會得到一個一定概率的 0 或 1 。

為了用許多這樣的量子比特執(zhí)行計算任務，它們必須持續(xù)地處在一種相互關聯(lián)的疊加態(tài)下，即所謂的量子相干態(tài)。這些量子比特處于糾纏之中，一個比特的變化能夠影響到剩下所有的量子比特。因此，基于量子比特的運算能力將遠遠超過傳統(tǒng)比特。

傳統(tǒng)電子計算機的運算能力隨著比特位的增加呈線性增長，而每增加一個量子比特位，則有可能使量子計算機的運算能力加倍（呈指數增長）。這也就是為什么 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子計算機有天壤之別。

不過，真正重要的不僅僅是有多少個量子比特（這甚至不是主要因素），而是量子比特的性能好壞，以及算法是否高效。

五光子、六光子、十光子到18個光量子，多粒子糾纏一直引領世界

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領先水平。

在超導體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2016年底被中國科學家團隊打破：潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發(fā)了10比特超導量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實現(xiàn)了當時世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。

進一步，研究團隊利用超導量子電路，演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。相關成果也發(fā)表于國際權威期刊《物理評論快報》。

50個光子糾纏能讓量子模擬機計算能力超越“天河二號”

2017年5月3日，潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學王浩華教授研究組攻關，利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構建了針對多光子“玻色取樣”任務的光量子計算原型機。

潘建偉說，這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現(xiàn)超越經典計算能力的量子計算奠定了基礎。