多光子糾纏及干涉度量與其應用前景

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多光子糾纏及干涉度量與其應用前景

2016年1月8日,2015年度國家科學技術獎頒獎典禮在人民大會堂舉辦,其中由中國科學技術大學潘建偉院士帶隊,彭承志、陳宇翱、陸朝陽、陳增兵共同完成的“多光子糾纏及干涉度量”項目獲得2015年度國家自然科學獎一等獎。

光子,即光量子的簡稱,是量子的一種,量子是物理量最小的不可分割的基本單位。在量子世界,有兩個基本的原理,就是量子疊加和由其引申出來的量子糾纏。“量子疊加”就仿佛神話中的分身術,但量子的分身術是不能被人看到的,一旦被觀察到,它的分身就會隨機地消失,而只留下一個。相應的,“量子糾纏”就是多個量子的疊加態,量子之間相互糾纏,即使相距遙遠,一個量子被操作（例如量子測量）而狀態發生變化之時,與其相糾纏的量子也會即刻發生相應的狀態變化。多光子糾纏和干涉度量學就是通過干涉度量的方法實現多光子的量子糾纏。例如用一個紫外光脈沖照射一種叫作BBO的晶體,可以有一定概率產生一對光子,兩個光子通過在偏振分束器上的一次干涉,就可以形成一個糾纏態。如果把雙光子干涉產生的糾纏層層累加,擴展到更多的光子,就可以形成更多光子的糾纏。針對量子信息處理尤其是光量子計算的需求,糾纏的光子數自然是越多越好,但是產生糾纏的光子數越多,干涉和測量的系統也就越復雜,實驗難度也就越大。

從2004年開始,潘建偉團隊就通過一個個在國際上原創的多光子干涉和測量技術,一直保持著糾纏光子數的世界紀錄,并且在向應用領域開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領域的重要算法,包括獨立光子之間的邏輯門操作、大數分解算法、搜索算法、求解線性方程組算法和“任意子”分數統計現象的量子模擬；發展了誘騙態編碼等量子密鑰分發技術,利用自主研發的低噪聲單光子探測器,克服了量子通信中光源和探測器件不完美帶來的兩大安全隱患,使得安全的量子通信網絡成為可能；從理論上提出并實驗實現了基于冷原子量子存儲的量子中繼基本單元,在原理上證明了大尺度量子通信的可行性；在突破光量子態穿越大氣層等效厚度、克服星地通道損耗等關鍵技術的基礎上,率先實現了百公里量級的糾纏分發和量子隱形傳態,為未來實現基于星地量子通信的全球化量子網絡奠定了科學和技術基礎。2016年,該團隊承擔研制的世界首顆“量子科學實驗衛星”將發射升空,將實現世界首個星地間的量子保密通信和量子隱形傳態。同時該團隊主導建設的世界首個量子保密通信主干網絡“京滬干線”也即將建成,將推動量子保密通信進入軍事、銀行、互聯網數據中心等多個行業之中。這些都顯示了多光子糾纏及干涉度量的廣闊的應用前景。（魏亮/摘編自新浪科技）