4月26日，清華大學(xué)教授段路明正在實(shí)驗(yàn)室里指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。 清華大學(xué)供圖
清華團(tuán)隊(duì)刷新量子接口糾纏數(shù)目紀(jì)錄
薛定諤的貓、愛(ài)因斯坦和波爾的辯論……100多年前科學(xué)家把量子力學(xué)帶進(jìn)大眾視野，從此對(duì)于量子力學(xué)的探索就伴隨著人類(lèi)社會(huì)的每一步。近年來(lái)，量子計(jì)算機(jī)、量子互聯(lián)網(wǎng)，這些詞匯越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)在媒體頭條，“量子”時(shí)代似乎未來(lái)可期。
近日，清華大學(xué)段路明教授研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏，打破了先前加州理工學(xué)院研究組4個(gè)量子接口之間糾纏的世界紀(jì)錄。
糾纏的量子接口數(shù)破世界紀(jì)錄
量子、接口、糾纏，這一個(gè)個(gè)詞匯看起來(lái)和我們的生活不沾邊，不過(guò)把視角從大變小會(huì)容易很多。日常生活中我們的手機(jī)有天線接口，電腦有網(wǎng)線接口，接口是信息傳遞的一個(gè)通道。段路明團(tuán)隊(duì)做的就是量子世界里的接口。
量子接口用于實(shí)現(xiàn)量子信息在傳遞粒子(光子)和存儲(chǔ)粒子(通常為原子)之間的相干轉(zhuǎn)化，是連接量子存儲(chǔ)器或量子計(jì)算單元與光量子通信通道間的重要界面。類(lèi)似于手機(jī)、電腦網(wǎng)口、USB這些接口在經(jīng)典信息的廣泛應(yīng)用，量子接口也是量子信息領(lǐng)域的一個(gè)基本元器件。
2010年，加州理工學(xué)院研究組實(shí)現(xiàn)了4個(gè)量子接口之間的糾纏，代表此前的國(guó)際紀(jì)錄。此次，清華大學(xué)段路明團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏，把世界紀(jì)錄提高了約6倍。
25個(gè)接口意味著，接口更多了，能把大家有效地連接起來(lái)。就像是在互聯(lián)網(wǎng)里，用戶(hù)更多了，把不同的內(nèi)容都能包容進(jìn)去了，為量子互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的“萬(wàn)里長(zhǎng)征”又往前走了一步。
據(jù)段路明教授介紹，量子接口是一個(gè)構(gòu)件，是量子信息領(lǐng)域的一個(gè)基本元器件，量子接口要把存儲(chǔ)信息的粒子(原子)跟通信的粒子(光子)做有效的量子連接，即產(chǎn)生糾纏。要保證量子接口有效，首先要保證不同類(lèi)型粒子可以互相糾纏在一起。有糾纏就可以做到量子信息的傳播，增加接口就會(huì)擴(kuò)大量子網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。實(shí)現(xiàn)量子接口之間的糾纏是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)基本要求。
量子糾纏須純凈可控如“心心相印”
增加量子接口說(shuō)到底還是要實(shí)現(xiàn)量子糾纏，為量子信息發(fā)展再推動(dòng)一步。
那科學(xué)家想要實(shí)現(xiàn)的量子糾纏是什么呢？量子世界有兩個(gè)重要特性：量子疊加和量子糾纏。
量子糾纏通俗理解常常被比喻為“遠(yuǎn)程心靈感應(yīng)”，愛(ài)因斯坦也稱(chēng)其為“鬼魅般超距作用”。也就是說(shuō)，兩個(gè)量子糾纏，量子A狀態(tài)改變可以對(duì)量子B產(chǎn)生影響，就像有心靈感應(yīng)一樣。
有這樣屬性的量子糾纏，是信息傳遞、信息保密的最重要的基本資源，是實(shí)現(xiàn)量子通信和量子計(jì)算機(jī)的基石。但有效的量子糾纏并不是那么容易做到的，有效的量子信息傳播需要高純度的糾纏狀態(tài)。“我們需要的糾纏是很純凈可控的糾纏，就像是兩個(gè)人之間心心相印。”段路明說(shuō)。
看起來(lái)似乎“遙不可及”的量子互聯(lián)網(wǎng)、量子計(jì)算機(jī)為何吸引了諸多科學(xué)家的目光？
量子計(jì)算機(jī)將突破經(jīng)典計(jì)算機(jī)的瓶頸。經(jīng)典的計(jì)算機(jī)中，只有0和1，每個(gè)比特都是這兩種狀態(tài)，但量子可以處在0和1的疊加狀態(tài)，那么這樣操縱的量子比特?cái)?shù)目增多，對(duì)于某些問(wèn)題，它就可以通過(guò)量子并行計(jì)算，以指數(shù)增長(zhǎng)的形式來(lái)提升它的運(yùn)算速度。
■ 對(duì)話
清華大學(xué)教授段路明：
最終目標(biāo)是未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
新京報(bào)：量子接口具體是指什么？
段路明：量子接口用于信息連接，把不同的量子媒介，通過(guò)量子通信通道連接起來(lái)，這是一個(gè)基本的元器件。
所有信息裝備都需要接口，例如手機(jī)天線接口、網(wǎng)線接口等，我們?cè)诹孔泳W(wǎng)絡(luò)里也需要接口。把量子的信息(也就是微觀粒子狀態(tài)的信息)從一種介質(zhì)，例如量子存儲(chǔ)器，通過(guò)接口傳輸?shù)酵ㄐ诺牧孔颖忍厣稀?/P>
通信的比特我們通常用的是光子，因?yàn)樵谒械男畔⑤d體里，光子跑得最快，最適合做通信的工具。
量子接口要把存儲(chǔ)的粒子和通信的粒子做有效的量子連接，怎么證明接口有量子性，一種方式就是把量子接口互相糾纏在一起，我們做的就是多個(gè)量子接口的量子糾纏，在25個(gè)量子接口之間實(shí)現(xiàn)量子糾纏。
新京報(bào)：25個(gè)量子接口之間的量子糾纏，把世界紀(jì)錄提高了6倍，是如何做到的？
段路明：我們的實(shí)驗(yàn)思路不同，之前那種方法已經(jīng)基本到了極限，按照原來(lái)那種方法突破比較困難。我們換了一個(gè)思路，之前加州理工學(xué)院做的是4個(gè)接口，是單線排列的。我們用了二維平面的接口陣列，用一種可編程的方式，來(lái)控制5×5的量子接口陣列，以實(shí)現(xiàn)糾纏。
新京報(bào)：增加量子接口間的量子糾纏難點(diǎn)在哪？
段路明：隨著量子接口數(shù)量增加，實(shí)現(xiàn)純凈可控的量子糾纏就很困難。
新京報(bào)：可控的量子糾纏是指？
段路明：量子糾纏是我們?nèi)粘Ｒ粋�(gè)很難理解的概念，但在量子信息中是一個(gè)很基本的資源，不是很神秘的東西，任何量子粒子通過(guò)相互作用都可以產(chǎn)生糾纏，但通常粒子與很多外界的環(huán)境粒子糾纏，這種不可控的糾纏導(dǎo)致噪聲。我們需要的是很純凈可控的糾纏，就像是兩個(gè)人之間心心相印，建立單線聯(lián)系。
新京報(bào)：未來(lái)的應(yīng)用是什么？
段路明：這個(gè)技術(shù)在量子信息研究中是萬(wàn)里長(zhǎng)征的一步，最終的發(fā)展目標(biāo)是未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要一些基本元器件，而糾纏的量子接口提供了一個(gè)這樣的元器件。
■ 背景
中國(guó)近年量子研究進(jìn)展
近幾年，全世界都在對(duì)量子領(lǐng)域進(jìn)行探索，量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)在步步構(gòu)建。
2016年8月，中國(guó)自主研制的世界上第一顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”升空。“墨子號(hào)”的主要應(yīng)用目標(biāo)是通過(guò)衛(wèi)星和地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)星地量子保密通信，并通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的量子保密通信。
2017年6月，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉等人利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國(guó)際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛(ài)因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，在空間量子物理研究方面取得重大突破。
2017年5月3日，中國(guó)科學(xué)院在上海召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)在我國(guó)誕生。“超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)”是什么概念？答案是，比人類(lèi)歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)(ENIAC)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)(TRADIC)運(yùn)行速度快10-100倍。
新京報(bào)記者 王俊 |
