量子糾纏形成方法大躍進(jìn),量子通訊中國隱有超美國之勢

潘建偉和他的合作伙伴在最近的《物理評論快訊》(Physical Review Letter)中揭示了18個量子位元的量子糾纏(entanglement)，這是他繼之前5、6、8、10量子位元量子糾纏紀(jì)錄的另一大躍進(jìn)。潘建偉是2017年被《Nature》列為世界十大重要科學(xué)人物的中國科學(xué)家。

借這機(jī)會細(xì)講一下量子位元與量子糾纏。傳統(tǒng)的二進(jìn)制位元就是0與1兩種狀態(tài)，在電路設(shè)計中通常以電壓的高低或電荷的有無來表示。量子位元是0與1兩種狀態(tài)的線性組合，譬如一個量子狀態(tài)有2分之1的機(jī)會測量出來為0，另有2分之1的機(jī)會測量出來為1，這就是科普小說中愛談的半死半活薛定諤的貓。量子位元的量子態(tài)可以很多元，譬如是一個粒子自旋(spin；角動量的一部分)的向上或向下，一個粒子的空間模式(spatial mode，有時候指的是路徑向左或向右)，光子極化(polarization)的水平或垂直等，這些量子態(tài)都具有量子力學(xué)內(nèi)在機(jī)率的特性。量子態(tài)可以實(shí)踐在超導(dǎo)體、量子點(diǎn)、離子陷阱、氮空位鉆石(nitrogen-vacancy diamond)、光子等材料上。

量子糾纏是量子計算與量子通訊的最基礎(chǔ)運(yùn)行?；旧鲜遣僮鲀蓚€以上的量子位元，讓二者發(fā)生某種關(guān)連。舉個例子：兩個電子分別置放于A、B兩處，如果沒有特別預(yù)先準(zhǔn)備，這兩個電子的自旋值為1/2，方向可能指向任一方向，而且兩者測量的結(jié)果互不相關(guān)。電子的自旋像個小磁矩，可以用外加磁場讓它們都指向上方，并且用低溫和隔絕手段，讓自旋的方向較長時間維持向上。在A、B之間置放一個光子分束器(beam splitter)，準(zhǔn)備一個光子，讓其自旋1向下。當(dāng)這個光子打到分束器，光子經(jīng)過分束器后它的路徑是機(jī)率性的，有2分之1的機(jī)會讓光子轉(zhuǎn)向A、2分之1的機(jī)會讓光子轉(zhuǎn)向B。

當(dāng)光子打到電子時，由于角動量守恒的原因，凈效應(yīng)是將被打到的電子自旋翻轉(zhuǎn)向下為-1/2。位于A、B兩處的電子，其自旋值在未經(jīng)測量前是未知的；在測量之后，有2分之1的機(jī)率A之自旋值為1/2、B為-1/2，另有2分之1的機(jī)率A之自旋值為-1/2、B為1/2。更有趣的是當(dāng)單只是A或B一方電子的自旋值被測出后，另一方的自旋值也同時被自動決定。這就是利用光子不同路徑與兩個量子位元交互作用所形成的糾纏態(tài)。

潘建偉這次是利用光子的極化、路徑、角動量(自旋)3個量子的自由度將3對光子(6個光子)糾纏在一起，形成18個量子位元的糾纏態(tài)。這個實(shí)驗(yàn)中形成糾纏態(tài)難、維持各量子位元的相干性(coherence)也難、測量各量子位元的量子數(shù)更難。這是量子糾纏形成方法的大躍進(jìn)。

當(dāng)然，用光子做為量子計算的量子位元為時尚早，所以由光子組成的量子糾纏態(tài)主要應(yīng)用在量子通訊上。在量子通訊領(lǐng)域，中國隱隱有超越美國之勢。也難怪美國DARPA現(xiàn)在正在執(zhí)行的50計劃中，有5分之1是關(guān)于量子信息，包括QuASAR(量子輔助感測與讀取)、QuBE(生物環(huán)境的量子效應(yīng))、QUIST(量子信息科學(xué)與技術(shù))、QUEST(量子糾纏科學(xué)與技術(shù))、Quiness(巨觀量子通訊)。美國緊張了，我們的通訊產(chǎn)業(yè)呢？