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中国光量子比特纠缠数目逐次刷新世界纪录意义何在?

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中科大潘建伟团队首次实现18个光量子比特的纠缠

  5光量子比特纠缠、6光量子比特纠缠、8光量子比特纠缠、10光量子比特纠缠,18光量子比特纠缠……

  在位于中国科技大学东区理化大楼中编号为“01003”的实验室内,密布着错综复杂的管线及各类光学和电子设备,中科大教授潘建伟和他的团队在这里不断攻关,刷新着光量子比特纠缠数目的世界纪录。日前,潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,再次刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

  什么是量子比特?什么又是量子纠缠?逐次刷新世界纪录的意义何在?

  量子纠缠,是量子叠加在多粒子条件下的特殊形态

  “量子是能量的最小单元,人们所熟知的分子、原子、电子等微观粒子状态的改变,都涉及能量变化,这一过程改变的能量就是一份一份的量子。比如日常生活中的光,就是大量光量子组成的。”中科大研究员汪喜林说。

  什么是量子比特?任何信息在编码、操作、处理等时,都有一个最基本的处理单元,叫做比特。比特是由英文BIT音译而来,是信息量的度量单位,也是信息量的最小单位。潘建伟团队研究人员介绍,人们常用的手机、电脑等电子计算机所用到的比特,被称为经典比特。量子比特就是进行量子信息处理的最基本单元。

  那么,量子比特纠缠又是怎么一回事?

  “在宏观的经典世界里,0就是0,1就是1。而在微观的量子世界中,一个状态可存在于1和0的叠加,它既不是0、也不是1,但它既是0、又是1。”汪喜林以著名的“薛定谔的猫”进行描述,“在经典世界里,猫要么是活的,要么是死的,但在量子世界里的猫则可能处于‘又死又活’的叠加状态。”一个经典比特只存在0或1两种状态。而一个量子比特,不仅可处于0或1两种状态,还可处于“0+1”的叠加态。

  而量子纠缠,则是量子叠加在多粒子条件下的特殊表现形态。汪喜林随手拿起两张纸进行解释。在经典比特的场景下,一张纸朝上朝下,与另一张纸没有任何关联。但当有两个量子比特时,就会出现量子纠缠现象。

  “当两个量子比特建立纠缠之后,哪怕把它们分得很远,人们会发现,当一张纸朝上时,另一张也是朝上;当一张纸朝下时,另一张也朝下;当三个量子比特建立纠缠时,发现一张纸朝上时,另外两张也朝上;一张纸朝下时,另外两张纸也朝下;以此类推,18个量子比特纠缠,就是18个同时朝上,或18个同时朝下,且处于18个0+18个1的叠加状态。”汪喜林说。

  量子计算需多个光量子比特纠缠,数量越多越好

  “经典计算机处理的经典比特,一次只能处理某一个数据,而将来量子计算机在处理量子比特时,可以处于多个数据的相干叠加状态,具有强大的并行计算优势。”汪喜林这样形容,“操纵N个量子比特的量子计算机,原理上可以对2的N次方个数据同时进行数学运算,相当于经典计算机重复实施2的N次方次操作。”

  对数据的处理可以实现运算的并行,运算速度会大大提高,同时,量子计算的速度会随着实验可操纵的纠缠比特数的增加而呈指数级提升。多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备是发展可扩展量子信息技术,特别是量子计算的最核心指标,量子计算需用到多个光量子比特纠缠,数量越多越好。

  然而,下一步要实现更多个量子比特的纠缠,需进行高精度、高效率的量子态制备和独立量子比特间相互作用的精确调控。但随着量子比特数的增加,操纵带来的噪声、串扰和错误也随之增加。这对量子体系的设计、加工和调控要求极高,对量子纠缠和量子计算的发展构成了巨大挑战。

  怎么缓解上述问题,达到提升量子比特纠缠数的目标,研究团队近期把重点放在了光子的多个自由度的调控方法上。“比如,1个光子过去往往用于编码1个量子比特,10个光量子比特的纠缠就需要10个光子。如让光量子比特纠缠数目提升,就要把光子数再往上提升,但这难度太大了。我们现在就在想,能不能用每个光子编码多个光量子比特。”汪喜林解释,现在通过操纵一个光子的偏振、路径和轨道角动量等多种自由度,让一个光子编码3个光量子比特,这样6个光子就能编码18个光量子比特,实现18个光量子比特的纠缠,同时有效缓解了因光子数增加而可能带来的种种问题。

  未来量子计算机可应用于需要大规模计算的科学难题

  “量子比特纠缠的数目越大,可实现的量子计算的能力就越强。”团队负责人介绍,他们希望通过未来3年到5年努力,在量子计算方面能实现约50个纠缠量子比特的相干操纵,使其计算能力在某些特定问题的求解上,媲美或超越目前最好的经典超级计算机。

  而根据理论预计,量子计算的前景远不止于此。汪喜林说,借助量子计算的并行性带来指数级的加速,将能远远超越现有经典计算机的速度。当量子计算时代到来时,利用GHz时钟频率的量子计算机求解一个亿亿亿变量的线性方程组,将只需要10秒钟。而现在,即便是用世界上最快的超级计算机也至少需要几百年。

  “如能纠缠操纵100个粒子,在对某些特定问题的求解方面,量子计算的计算能力可达目前全世界计算能力总和的100万倍。当量子计算机应用之时,现在的气象预报、药物设计等需要大规模计算的科学难题,将有望迎刃而解。”汪喜林举例,比如现在的气象预报,想要预报1个月后的天气可能需要100天的计算时间,但计算上100天之后也就没了预报的意义,但将来应用了量子计算之后,1个月后的预报可能几秒钟的计算时间就可以完成。(孙 振 李家林)

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