中國科大首次實現18個量子比特的糾纏 再次刷新量子糾纏世界記錄

中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態製備的世界紀錄。該成果以「編輯推薦」的形式發表在《物理評論快報》上，從投稿經國際同行評議到被正式接收，只用了三個星期的時間。

由於量子信息技術的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國家級的協同攻關。例如，歐盟在2016年宣布啟動量子技術旗艦項目；最近，美國國會也正式通過了「國家量子行動計劃」；此前，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強勢介入量子計算研究。

多個量子比特的相干操縱和糾纏態製備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。量子計算的速度隨著實驗可操縱的糾纏比特數目的增加而指數級提升。然而，要實現多個量子比特的糾纏，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。

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。

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。2015年，通過實現對光子偏振和軌道角動量兩個自由度的量子調控技術和單光子非破壞測量，潘建偉、陸朝陽研究組首次實現單光子多自由度的量子隱形傳態，相關成果被英國物理學會（Institute of Physics）新聞網站《物理世界》（Physics World）選為「國際物理學年度突破（Breakthrough of the Year）」。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」。通過多年的不懈探索和技術攻關，研究組自主研發了高穩定單光子多自由度干涉儀，實現了不同自由度量子態之間的確定性和高效率的相干轉換，完成了對18個量子比特的262144種狀態的同時測量。在此基礎上，研究組成功實現了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。

該研究工作得到了自然科學基金委、科技部、中科院、教育部等單位的支持。

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

來源：中國科學技術大學

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