多光子糾纏及干涉度量與其應(yīng)用前景

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多光子糾纏及干涉度量與其應(yīng)用前景

2016年1月8日,2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎頒獎典禮在人民大會堂舉辦,其中由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士帶隊,彭承志、陳宇翱、陸朝陽、陳增兵共同完成的“多光子糾纏及干涉度量”項目獲得2015年度國家自然科學(xué)獎一等獎。

光子,即光量子的簡稱,是量子的一種,量子是物理量最小的不可分割的基本單位。在量子世界,有兩個基本的原理,就是量子疊加和由其引申出來的量子糾纏?！傲孔盈B加”就仿佛神話中的分身術(shù),但量子的分身術(shù)是不能被人看到的,一旦被觀察到,它的分身就會隨機地消失,而只留下一個。相應(yīng)的,“量子糾纏”就是多個量子的疊加態(tài),量子之間相互糾纏,即使相距遙遠,一個量子被操作（例如量子測量）而狀態(tài)發(fā)生變化之時,與其相糾纏的量子也會即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。多光子糾纏和干涉度量學(xué)就是通過干涉度量的方法實現(xiàn)多光子的量子糾纏。例如用一個紫外光脈沖照射一種叫作BBO的晶體,可以有一定概率產(chǎn)生一對光子,兩個光子通過在偏振分束器上的一次干涉,就可以形成一個糾纏態(tài)。如果把雙光子干涉產(chǎn)生的糾纏層層累加,擴展到更多的光子,就可以形成更多光子的糾纏。針對量子信息處理尤其是光量子計算的需求,糾纏的光子數(shù)自然是越多越好,但是產(chǎn)生糾纏的光子數(shù)越多,干涉和測量的系統(tǒng)也就越復(fù)雜,實驗難度也就越大。

從2004年開始,潘建偉團隊就通過一個個在國際上原創(chuàng)的多光子干涉和測量技術(shù),一直保持著糾纏光子數(shù)的世界紀錄,并且在向應(yīng)用領(lǐng)域開拓方面取得了一系列重要的成就。例如：全面演示了量子信息領(lǐng)域的重要算法,包括獨立光子之間的邏輯門操作、大數(shù)分解算法、搜索算法、求解線性方程組算法和“任意子”分數(shù)統(tǒng)計現(xiàn)象的量子模擬；發(fā)展了誘騙態(tài)編碼等量子密鑰分發(fā)技術(shù),利用自主研發(fā)的低噪聲單光子探測器,克服了量子通信中光源和探測器件不完美帶來的兩大安全隱患,使得安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)成為可能；從理論上提出并實驗實現(xiàn)了基于冷原子量子存儲的量子中繼基本單元,在原理上證明了大尺度量子通信的可行性；在突破光量子態(tài)穿越大氣層等效厚度、克服星地通道損耗等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,率先實現(xiàn)了百公里量級的糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài),為未來實現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。2016年,該團隊承擔研制的世界首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”將發(fā)射升空,將實現(xiàn)世界首個星地間的量子保密通信和量子隱形傳態(tài)。同時該團隊主導(dǎo)建設(shè)的世界首個量子保密通信主干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”也即將建成,將推動量子保密通信進入軍事、銀行、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等多個行業(yè)之中。這些都顯示了多光子糾纏及干涉度量的廣闊的應(yīng)用前景。（魏亮/摘編自新浪科技）