實現“量子霸權”,糾纏態制備是關鍵

發布時間:2019-03-20

5光量子比特糾纏、6光量子比特糾纏、8光量子比特糾纏、10光量子比特糾纏、18光量子比特糾纏……中國科學技術大學教授潘建偉團隊不斷刷新著光量子比特糾纏數目的世界紀錄。

3月13日下午,潘建偉做客北京航空航天大學沙河校區,帶來了題為“新量子革命:從量子物理基礎檢驗到量子信息技術”的講座。

潘建偉講到,可以預期,以量子信息技術為代表的第二次量子革命一定會帶來人類社會物質文明的巨大進步,同時也給了我國一個從經典信息技術時代的跟隨者、模仿者,轉變為未來信息技術引領者的偉大機遇。

糾纏是量子科學極其重要的資源

今天我們使用的各種類型計算機,基本單元都是一個個集成化了的晶體管,每個晶體管用來表示0或者1的信息,通過各種邏輯運算,得到計算結果。

但芯片的集成密度總有物理極限,特別是處理一些特定的復雜問題,如大數分解,現有計算機處理起來的時間可能要以成百上千年為單位。

中國有個詞叫“歧路亡羊”,岔路之中又有岔路的復雜迷宮中,很難找到目標。而量子計算,就好比玩一種神秘的迷宮游戲,它可以利用不多的量子比特,同時幻化出很多個分身,在很多很多的岔路上尋找目標,在極短時間內完成任務。

“這樣的能力,來源于量子疊加原理——量子比特同時處于0和1的疊加態。隨著比特數的增加,計算能力將指數增加!”潘建偉團隊劉乃樂研究員告訴科技日報記者,對于經典計算機來說,兩個比特在某一時刻只可能表示00,01,10,11四種可能性中的一種,而量子計算里,兩個比特單位可以同時容納4個值:00,01,10和11。

“也就是說,我們可以同時對2的N次方個值進行操縱,而這都得依仗量子糾纏才會實現。”劉乃樂解釋說。

有人估計,當處于糾纏態的量子比特數目達到50左右,量子計算機就可以在某些特定任務上令任何一臺經典計算機望塵莫及,即所謂的“量子霸權”。

除量子計算以外,對于量子科學的其他領域來說,糾纏都是極其重要的資源。比如,量子保密通信、量子隱形傳態,就是借助了糾纏,才實現了量子態的傳送。“有了對于糾纏粒子的操控,才能實現量子世界的神奇和瑰麗。”劉乃樂說。

增加量子比特數,運用更多“自由度”

“多個量子比特的相干操縱和糾纏態制備,是量子計算的最核心指標。”劉乃樂告訴記者,由于技術上的種種限制,無論采取哪種粒子體系,對糾纏粒子的控制和測量都沒有想象的那般容易。對于光子體系來說,最大的困難來自于效率問題。當操縱多個光子,單位時間內同時產生多個光子的概率低得難以忍受。

如果操縱多個光子不現實,能不能在操縱比較少數目的光子的情況下,產生盡可能多的糾纏呢?

科學家想到了一個辦法——利用光子的多個自由度。你向陌生人描述某人的時候,可以告訴他某人的身高、體重、膚色、年齡……這些不同維度的信息就是自由度。

“對于光子也是一樣。光子的波長、偏振、軌道角動量、空間路徑都是不同維度的信息,都可以用來編碼量子比特。”劉乃樂說,將光子的其他自由度盡可能地利用起來,通過控制它們形成量子比特,并保持糾纏。

2015年,潘建偉團隊實現了利用偏振和軌道角動量編碼的單個光子的多自由度量子隱形傳態。多自由度的量子隱形傳態這種從“1”到“2”的突破,讓人們看到了新的希望。有了這次突破,相干操縱多個光子、多個自由度,實現所謂“超糾纏”的藍圖在科學家腦中漸漸清晰起來。

但是,3個自由度的超糾纏從技術上來說有很大的挑戰,其中最大的挑戰,是讀取其中一個自由度編碼信息的時候,不能破壞其他的自由度編碼。

“我們選取了6個光子的偏振、軌道角動量、空間路徑3個自由度來編碼18個量子比特。即讓6個光子的3個自由度形成了一種超糾纏態,可以編碼18個量子比特。”劉乃樂說,最難的部分是對量子比特的測量和對糾纏的驗證——得巧妙地構造實驗,使得對某個光子的每個自由度的測量不影響其他未測的自由度。

“這當中比較難辦的是軌道角動量測量。”劉乃樂說道,這次科學家想了一個非常巧妙的曲線戰術,利用一系列光學器件,將軌道角動量信息轉化成極化信息,進而進行測量,這樣一來,就很容易讀出結果了。

最終,對于每個攜帶3自由度的單個光子,可以讀出八種可能的結果。實驗數據表明,信噪比大約為4.4,保真度為0.708±0.016。“只要保真度超過0.5的閾值,就可以說實現了真正的多粒子糾纏,所以這次的保真度從統計學意義上明確給出了超糾纏證據。”劉乃樂說。

量子計算曙光初現

“量子計算機是真正意義上的并行計算機。”劉乃樂舉例說,如果把經典計算機比成一種單一樂器,那么量子計算機就像一個交響樂團,一次運算可以處理多種不同狀況。50個光子糾纏就能讓量子計算機的計算能力超越天河二號。

“這次我們將3個自由度都利用起來,形成的18比特超糾纏效率,大約比單自由度18光子超糾纏狀態高出13個數量級!”有了這次探索,科學家們更加有信心將不同自由度糾纏這一法寶進一步應用于大尺度、高效率的量子信息技術,用來探索前人從沒有抵達過的量子秘境。

“量子比特糾纏的數目越大,可實現的量子計算的能力就越強。”劉乃樂表示,他們希望通過未來3年到5年努力,在量子計算方面能實現約50個糾纏量子比特的相干操縱,使其計算能力在某些特定問題的求解上,媲美或超越目前最好的經典超級計算機,實現“量子霸權”。

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