18個量子比特的糾纏 潘建偉團隊再次刷新量子糾纏世界記錄

量子信息科學中的一個中心主題是在保持高度相干性的同時控制量子粒子的增長以及它們的內部和外部自由度（Degrees of Freedom，DoFs）。

通過獨立量子比特的控制和測量來創製和驗證多粒子的糾纏能力是量子技術的重要基準。

量子計算的速度會隨著可操縱的糾纏比特數目的增加而呈現指數級的提升，而多個量子比特的相干性操縱和糾纏態製備正是發展可擴展量子信息技術，特別是量子計算的最核心指標。

多粒子糾纏的操縱作為量子計算不可逾越的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。2016年底，潘建偉團隊同時實現了10個光子比特和10個超導量子比特的糾纏，刷新並一直保持著這兩個世界記錄。近期，出於商業目的，雖然IBM、英特爾、谷歌等宣布實現了更高數目的量子比特樣品的加工，但是這些量子比特並沒有形成糾纏態。

陸朝陽（中）與光量子計算機

要使多個量子比特產生糾纏並且保持相干性，需要進行高精度、高效率的量子態製備和獨立量子比特之間相互作用的精確調控。量子比特數目的增加，使得操縱帶來的雜訊、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，對量子糾纏和量子計算的發展構成了一個巨大的綜合挑戰。

潘建偉及其同事在過去20年一直在國際上引領著多光子糾纏和干涉度量的發展，並在此基礎上另闢蹊徑地開創了光子的多個自由度的調控方法。此後，研究組進入實現多光子三個自由度的聯合調控這一「無人區」。

在此基礎上，潘建偉及其同事開發了精確有效的多光子多自由度量子邏輯運算方法。實驗中，首先僅使用光子的一個自由度，從產生極化糾纏六光子Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）狀態，為了糾纏其他自由度，研究團隊將確定性量子邏輯門應用於單光子極化和其他自由度，利用受控的非門（C-NOT Gate）本身的特性和單量子比特的旋轉轉換量子態，將極化行為充當受控量子比特, 而路徑充當目標量子比特，最終將量子比特編碼並纏繞在光子上。

實驗方案以及裝置示意圖，via：PhysRevLett

然後，研究團隊利用Mach-Zehnder干涉儀對所有量子比特進行測量，包括它們的路徑、偏振、和軌道角動量（OAM），將測量結果用於在光子的不同DoFs之間的可逆量子邏輯運算，發現其精度和效率接近於統一。從而完成了18個量子比特糾纏態的218=262144種狀態的同時測量。

實驗結果數據模型

研究團隊還測量了糾纏態的保真度，嚴格保證了所有量子比特都是真正的量子糾纏。

此次，潘建偉及其團隊成功實現了18個光量子比特超糾纏態的實驗製備和嚴格多體純糾纏的驗證，創造了所有物理體系糾纏態製備的世界紀錄。這一成果可進一步應用於大尺度、高效率量子信息技術，表明我國繼續在國際上引領多體糾纏的研究。

資料來源 / Reference

https://en.wikipedia.org/wiki/Degrees_of_freedom

http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201807/t20180702_318083.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Greenberger%E2%80%93Horne%E2%80%93Zeilinger_state

18-Qubit Entanglement with Six Photons』 Three Degrees of Freedom

Xi-Lin Wang, Yi-Han Luo, He-Liang Huang, Ming-Cheng Chen, Zu-En Su, Chang Liu, Chao Chen, Wei Li, Yu-Qiang Fang, Xiao Jiang, Jun Zhang, Li Li, Nai-Le Liu, Chao-Yang Lu, and Jian-Wei Pan

DOI：10.1103/PhysRevLett.120.260502

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.260502

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