多光子纠缠及干涉度量与其应用前景



多光子纠缠及干涉度量与其应用前景

2016年1月8日,2015年度国家科学技术奖颁奖典礼在人民大会堂举办,其中由中国科学技术大学潘建伟院士带队,彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵共同完成的“多光子纠缠及干涉度量”项目获得2015年度国家自然科学奖一等奖。

光子,即光量子的简称,是量子的一种,量子是物理量最小的不可分割的基本单位。在量子世界,有两个基本的原理,就是量子叠加和由其引申出来的量子纠缠。“量子叠加”就仿佛神话中的分身术,但量子的分身术是不能被人看到的,一旦被观察到,它的分身就会随机地消失,而只留下一个。相应的,“量子纠缠”就是多个量子的叠加态,量子之间相互纠缠,即使相距遥远,一个量子被操作（例如量子测量）而状态发生变化之时,与其相纠缠的量子也会即刻发生相应的状态变化。多光子纠缠和干涉度量学就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。例如用一个紫外光脉冲照射一种叫作BBO的晶体,可以有一定概率产生一对光子,两个光子通过在偏振分束器上的一次干涉,就可以形成一个纠缠态。如果把双光子干涉产生的纠缠层层累加,扩展到更多的光子,就可以形成更多光子的纠缠。针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求,纠缠的光子数自然是越多越好,但是产生纠缠的光子数越多,干涉和测量的系统也就越复杂,实验难度也就越大。

从2004年开始,潘建伟团队就通过一个个在国际上原创的多光子干涉和测量技术,一直保持着纠缠光子数的世界纪录,并且在向应用领域开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领域的重要算法,包括独立光子之间的逻辑门操作、大数分解算法、搜索算法、求解线性方程组算法和“任意子”分数统计现象的量子模拟；发展了诱骗态编码等量子密钥分发技术,利用自主研发的低噪声单光子探测器,克服了量子通信中光源和探测器件不完美带来的两大安全隐患,使得安全的量子通信网络成为可能；从理论上提出并实验实现了基于冷原子量子存储的量子中继基本单元,在原理上证明了大尺度量子通信的可行性；在突破光量子态穿越大气层等效厚度、克服星地通道损耗等关键技术的基础上,率先实现了百公里量级的纠缠分发和量子隐形传态,为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定了科学和技术基础。2016年,该团队承担研制的世界首颗“量子科学实验卫星”将发射升空,将实现世界首个星地间的量子保密通信和量子隐形传态。同时该团队主导建设的世界首个量子保密通信主干网络“京沪干线”也即将建成,将推动量子保密通信进入军事、银行、互联网数据中心等多个行业之中。这些都显示了多光子纠缠及干涉度量的广阔的应用前景。（魏亮/摘编自新浪科技）