国家自然科学一等奖的“量子纠缠”到底是个啥?

　　张文卓 (中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院副研究员)

　　(资料来源于中国科普博览、中科院之声)

　　近日，潘建伟院士带领的中国科学技术大学团队的“多光子纠缠和干涉度量学”获得了2015年度国家自然科学一等奖，是中国自然科学领域的最高奖项。该团队也 打破了国家自然科学一等奖历史上最年轻团队的记录。五位完成人按获奖顺序依次为潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授。其中潘建伟、彭承志、陈增兵三位为“70后”，陈宇翱和陆朝阳为“80后”。

　　与 以往的很多国家自然科学一等奖相比，该团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃，其成果3次入选美国物理学会(American Physical Society)评选的“年度物理学重大事件”(The Top Physics Stories of the year)，2次入选英国物理学会(Institute of Physics)评选的“年度物理学重大进展”(Highlights of the year)，最近被英国物理学会的Physics world网站评选为2015世界物理学十大进展第一名(Breakthrough of the Year)。

　　这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”，细心的朋友会发现这就是潘建伟院士2012年在《现代物理评论》(Review of Modern Physics)杂志上发表的论文“Multiphoton entanglement and interferometry”的译名[1]。《现代物理评论》为物理学领域最顶级的综述杂志，仅向各个领域世界知名的物理学家约稿来介绍该领域最新进展。潘院士这篇综述也是中国科学家发表在该刊物的第一篇实验论文。

　　在量子通信和量子计算等多个方向上，潘建伟团队都取得了世界领先的科研成果，而“多光子纠缠和干涉度量学”作为核心研究内容之一，贯穿始终。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子产生纠缠。这是利用光子做量子隐形传态和量子计算的必要前提。

　　量子力学中“纠缠”指的是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，可以用一个量子比特来表示：

　　ΦA=a|0>A+b|1>A ，

　　另一个粒子B也处于叠加态：

　　ΦB=c|0>B+d|1>B 。

　　当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，例如：

　　ΦAB=ad|0>A|1>B +bc|1>A|0>B

　　就是一个纠缠态：当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。

　　在没有外界干扰的情况下，无论两个粒子相隔多远，纠缠态都可以存在，因此量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)，并以此来质疑量子力学的完备性(因为违反了他提出的“定域性”原理)。但是后来一次次实验都证实量子力学是对的，非定域的量子纠缠可以存在，定域性原理必须舍弃。

　　随着量子信息学的诞生，量子纠缠成为了量子通信和量子计算的核心。最新的研究表明，微观的量子纠缠和宏观的热力学第二定律，甚至是时间之箭的起源都有着密不可分的关系。

　　　针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求，纠缠的光子数自然是越多越好。在实验上，光子纠缠需要对光子源产生的光子通过各种光学干涉的方法来获取，这就是“多光子纠缠”和“多光子干涉度量学”成为一个整体课题的原因。产生纠缠的光子数越多，干涉和测量的系统也就越复杂，实验难度也就越大。

　　如图1，一个紫外光脉冲照射BBO晶体可以有一定概率产生一对光子(o和e)，通过在偏振分束器(PBS)上的一次干涉，o光子和e光子都可以形成水平偏振H和竖直偏振V的叠加态，于是o光子和e光子就形成了一个纠缠态|HH>+|VV>(即o光子是H偏振时，e光子一定也是H偏振，反之o光子是V偏振时，e光子一定也是V偏振)。

　　把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加，扩展到更多的光子，就可以形成更多光子的纠缠。潘建伟团队从2004年开始，一直保持着纠缠光子数的世界纪录。2004年在世界上第一个实现了5光子纠缠，2007年在世界上第一个实现了6光子纠缠，2012年在世界上第一个实现了8光子纠缠，并且保持该记录至今。

　　图2是实现8光子纠缠的光路简图。由于光子产生和光学干涉测量的概率都是随着光子数指数上升，所以每增加一个纠缠光子，光学干涉系统就要复杂一倍，纠缠的产生难度也会随着光子数指数上升。该团队通过一个个在国际上原创的多光子干涉测量技术，经过不懈努力克服各种实验困难，才能够多次打破自己保持的世界记录，并将记录定格为8个。

　　该团队以多光子纠缠技术为基础，在自由空间量子通信领域实现了世界首个百公里级的量子纠缠分发和量子隐形传态，在量子计算领域实现了世界上首个光量子Shor算法和拓扑量子纠错。

　　“多光子纠缠和干涉度量学”获得国家自然科学一等奖实至名归，但这仅仅是潘建伟院士团队的一部分工作。

　　2016年，该团队承担研制的世界首颗“量子科学实验卫星”将发射升空，将实现世界首个星地间的量子保密通信和量子隐形传态。同时，源于该团队技术的世界首个量子保密通信主干网络“京沪干线”也即将建成。

　　在量子计算领域，该团队和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子计算联合实验室”，在保持光量子计算世界领先地位的同时，将大力推动我国量子计算整体研究水平。有理由期待潘建伟院士的团队在未来会带给中国和全世界更多的惊喜。

　　如果你还是没懂什么是量子？什么是量子纠缠？量子技术对我们的生活带来了什么样的福音？分身术、隐形传输还将是遥远的神话么？下面听听潘建伟院士团队成员，也是潘建伟的高徒——国际年轻量子科学家陈宇翱怎么说。

　　以下为文字实录：

　　今天，我的题目是《追梦量子世界》。

　　说到量子，大家可能既熟悉又陌生，什么是量子？举个例子，我手上这支遥控器，它就是个神奇的量子笔。我们按一下翻页，大家可以猜一猜在这一瞬间有多少个量子发射出去了？我可以告诉大家的是，我在按下翻页的瞬间，有上万亿个量子发射出去了，它是不是很厉害。

　　为什么这么厉害？请允许我给大家介绍下量子的概念。量子它是一个能量的最小单位，所有的微观粒子包括分子、原子、电子、光子，它们都是量子的一种表现形态。我们知道这个世界本身都是由微观粒子组成的。所以，某种意义而言，我们这个世界就是由量子组成的。我手上这支笔，在座的大家，包括我自己都是24K纯量子产品。

　　大家呼一口气都是上万亿量子的进出，所以大家都是分分钟几十亿上下的人才。这么说来，量子它并不神秘，也没什么高深的，但是对量子研究，在过去的一百年已经成为现代科技的支柱，发展出了诸如激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻，这些跟我们生活都息息相关的一些科技进展，而且可以想象，也可以相信未来会给我们带来更多的进展。

　　什么是量子叠加原理和量子纠缠？

　　说到量子世界，其实有两个最基本的原理，就是量子叠加原理，而另外一个其实是由量子叠加原理引申出来的量子纠缠。