由潘建偉院士帶領(lǐng)的中國(guó)科技大學(xué)量子技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)近日發(fā)表最新研究成果，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏，再次刷新了光子糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。這也是今年該團(tuán)隊(duì)繼發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星后，再次創(chuàng)造世界紀(jì)錄。盡管已經(jīng)成為國(guó)際上量子領(lǐng)域的引領(lǐng)者，但潘建偉仍然十分謙遜。他說(shuō)：“目前我們國(guó)家只有在一兩個(gè)點(diǎn)走在世界的前列，還不敢說(shuō)領(lǐng)先，量子技術(shù)要達(dá)到國(guó)際上廣泛認(rèn)可的領(lǐng)先還要花10~20年。”

潘建偉在墨子沙龍上演講

鬼魅的超距作用

此前，八光子紀(jì)錄同樣由潘建偉院士帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)中陸朝陽(yáng)、陳宇翱等研究組成員創(chuàng)造，并保持4年之久。該團(tuán)隊(duì)的“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”去年還獲得了國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，并成為歷史上獲此殊榮最年輕的團(tuán)隊(duì)。

多粒子糾纏操縱作為量子信息處理基本能力的核心指標(biāo)，能夠系統(tǒng)性地應(yīng)用于量子通信、量子計(jì)算等多個(gè)研究方向，一直是國(guó)際角逐的焦點(diǎn)。此次研究成果還將應(yīng)用于大尺度量子信息技術(shù)。

“多光子糾纏”，顧名思義，就是讓多個(gè)光子產(chǎn)生糾纏，這是利用光子做量子隱形傳態(tài)和量子計(jì)算的必要前提。量子力學(xué)中“糾纏”指的是多粒子的一種疊加態(tài)。當(dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生糾纏，就會(huì)形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)，也就是一個(gè)“糾纏態(tài)”。在沒(méi)有外界干擾的情況下，無(wú)論兩個(gè)粒子相隔多遠(yuǎn)，糾纏態(tài)都可以存在，因此量子糾纏曾經(jīng)被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”(spookyactionatadistance)，并以此來(lái)質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性(因?yàn)檫`反了他提出的“定域性”原理)。但是，后來(lái)每一次實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了量子力學(xué)的正確性，非定域的量子糾纏可以存在，定域性原理必須舍棄。

中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓在回答第一財(cái)經(jīng)記者解釋時(shí)表示：“隨著量子信息學(xué)的誕生，量子糾纏成為量子通信和量子計(jì)算的核心。”

十光子的意義

張文卓表示，針對(duì)量子信息處理尤其是光量子計(jì)算的需求，糾纏的光子數(shù)自然是越多越好。在實(shí)驗(yàn)上，光子糾纏需要對(duì)光子源產(chǎn)生的光子通過(guò)各種光學(xué)干涉的方法來(lái)獲取，這就是“多光子糾纏”和“多光子干涉度量學(xué)”成為一個(gè)整體課題的原因。產(chǎn)生糾纏的光子數(shù)越多，干涉和測(cè)量的系統(tǒng)也就越復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)難度也就越大。

把雙光子干涉產(chǎn)生糾纏的方法層層累加，擴(kuò)展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)公開(kāi)資料顯示，潘建偉團(tuán)隊(duì)從2004年開(kāi)始，一直保持著糾纏光子數(shù)的世界紀(jì)錄。2004年在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏，2007年在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了六光子糾纏，2012年又在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了八光子糾纏，并且保持該紀(jì)錄至今。

由于光子產(chǎn)生和光學(xué)干涉測(cè)量的概率都是隨著光子數(shù)指數(shù)上升，所以每增加一個(gè)糾纏光子，光學(xué)干涉系統(tǒng)就要復(fù)雜一倍，糾纏的產(chǎn)生難度也會(huì)隨著光子數(shù)指數(shù)上升。該團(tuán)隊(duì)以多光子糾纏技術(shù)為基礎(chǔ)，在自由空間量子通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了世界首個(gè)百公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，在量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了世界上首個(gè)光量子Shor算法和拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)。

但“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”這僅僅是潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的一部分工作。2016年，該團(tuán)隊(duì)承擔(dān)研制的世界首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”的發(fā)射升空，將實(shí)現(xiàn)世界首個(gè)星地間的量子保密通信和量子隱形傳態(tài)。同時(shí)，緣于該團(tuán)隊(duì)技術(shù)成果的世界首個(gè)量子保密通信主干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”也將于明年初建成。

京滬干線在路上

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳宇翱教授在12月24日的一場(chǎng)由潘建偉院士發(fā)起的“墨子沙龍”的科普活動(dòng)上接受第一財(cái)經(jīng)記者采訪時(shí)表示，京滬干線開(kāi)通后就將進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的運(yùn)營(yíng)階段。“比起開(kāi)通，商業(yè)化運(yùn)營(yíng)意義更為重大，好比造了大樓得要有人住進(jìn)來(lái)才行。”陳宇翱說(shuō)，“接下來(lái)就不是學(xué)校的項(xiàng)目了，京滬干線本來(lái)就是實(shí)用化的試點(diǎn)，發(fā)改委支持產(chǎn)業(yè)化就是希望建了以后有人愿意花錢來(lái)買。如果有銀行愿意付錢來(lái)用，才能算是真正的成功。”

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳宇翱教授為第一財(cái)經(jīng)記者答疑

量子保密通信對(duì)于金融領(lǐng)域的意義重大，那么銀行究竟愿意花多少錢來(lái)買?據(jù)陳宇翱介紹，目前北京到上海的不帶保密功能的裸帶寬均價(jià)是帶寬2.5G每年1億元人民幣，而新的采用量子保密技術(shù)的寬帶能夠提供100G的加密帶寬，按目前的均價(jià)來(lái)計(jì)算，價(jià)值約40億，而這僅僅是一家銀行需要支付的價(jià)格。

潘建偉院士在墨子沙龍上表示，他的團(tuán)隊(duì)在未來(lái)會(huì)帶給中國(guó)和全世界更多的驚喜。他介紹了目前團(tuán)隊(duì)在量子通信、量子計(jì)算和精密測(cè)量等方面的進(jìn)展。潘建偉說(shuō)：“量子通信技術(shù)通過(guò)加密后要傳輸任務(wù)，是直接面向應(yīng)用的。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首先追求極高的指標(biāo)，首試完成后，除了完成量子密鑰分發(fā)，還要完成量子力學(xué)的檢驗(yàn)以及地星之間的量子隱形傳態(tài)。雖然量子隱形傳態(tài)是面向未來(lái)的，是幾百年之后的事情，但是我現(xiàn)在必須要開(kāi)始想起來(lái)了。”

潘建偉還介紹稱，除了量子通信之外，他的團(tuán)隊(duì)還在進(jìn)行量子精密測(cè)量的工作。他舉例道：“例如直升機(jī)在大海上飛行時(shí)可以看到水底下的潛艇的活動(dòng)。按照現(xiàn)在的技術(shù)水平，陀螺裝在潛艇里，過(guò)一兩周就要浮上水面接受天上的北斗衛(wèi)星位置的校準(zhǔn)，而如果使用量子測(cè)量，一百天的誤差也只有幾百米，不用浮上來(lái)，也就不容易被發(fā)現(xiàn)蹤跡。”此外，量子的精密測(cè)量還將用于癌細(xì)胞早期的監(jiān)測(cè)、原子鐘時(shí)間的傳輸?shù)鹊取?/p>

目前量子通信和量子計(jì)算國(guó)家都已經(jīng)成立重大科研項(xiàng)目。在量子計(jì)算領(lǐng)域，潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子計(jì)算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，在保持光量子計(jì)算世界領(lǐng)先地位的同時(shí)，將大力推動(dòng)我國(guó)量子計(jì)算整體研究水平。

此外，針對(duì)未來(lái)星地一體化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、是否還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總設(shè)計(jì)師、衛(wèi)星總指揮、中科院上海分院副院長(zhǎng)王建宇對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“量子的很多科學(xué)技術(shù)難點(diǎn)在墨子號(hào)量子衛(wèi)星中已經(jīng)得到解決，但是科學(xué)衛(wèi)星是做實(shí)驗(yàn)用的，后一步怎么做，一定要有應(yīng)用。高軌同步衛(wèi)星就是下一步的目標(biāo)，在更高的軌道上量子通信的時(shí)間增加，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。雖然在更高軌道的量子通信的傳輸技術(shù)上肯定有難度，但是我們現(xiàn)在已經(jīng)討論出技術(shù)解決辦法，結(jié)果在5~10年后就會(huì)揭曉。”