中科院潘建伟量子，中科大量子潘建伟课题组

昨天，中国科学家创造了新的世界纪录。

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队宣布，成功将量子纠缠比特数提升至18比特。他们基于六光子系统并利用光子的三个自由度，建立了一个18 量子位纠缠系统。该系统的详细信息由潘建伟团队整理并发表在美国物理学会主办的高水平期刊《物理评论快报》（物理评论快报）上。更重要的是，据中国科学技术大学的官员介绍，从提交国际同行评审到正式接受仅用了三周时间。 ）

更“可怕”的是，距离他们上次创造新的世界纪录才过去一年半的时间。 2016年底，他们同时实现了10个光子量子位和10个超导量子位的量子纠缠。量子比特数量在一年半内几乎翻倍的事实让人想起半导体行业的“摩尔定律”，人们对一年半后的2020 年量子比特的期望继续上升。我的号码会再次更新吗？

图片丨潘建伟

这个18量子位纠缠系统为完全纠缠系统提供了两个主要创新：增加量子位数量和设计高效的纠缠测量系统，它是成功的。

这类似于信息系统中的加密和解密。随着量子比特数量的增加，传输的信息量显着增加。使用18位量子位，可以获得2^18=262144种不同的量子叠加态组合。该测量系统可以实现高效的量子纠缠。提高了信息获取的效率和准确性，该系统的量子态保真度达到0.7080.016。所有这些都将有助于发展大规模量子信息技术。

在量子纠缠中，计算和存储的基本单位是量子位，它以0和1的不同状态编码和存储信息，类似于我们今天使用的电子位。但量子位的作用有所不同。使用一种称为“叠加状态”的格式来存储信息。它的状态不会是简单的“0”或“1”，而是不同权重的“0”和“1”。它可以是死的或活的，也可以是死的或死的，就像著名的薛定谔的猫一样。

增加量子比特的数量可以说是增加了整个系统的计算能力和存储容量。这就是为什么世界各地的量子科学家都在竞相增加量子比特的数量。

具体来说，这个18位量子纠缠系统以六光子系统为基础，每个光子的三个自由度：路径、偏振和轨道角动量（OAM）设置为18。展开。位量子比特，这种方法也被称为“超纠缠”。

之前的大多数研究都是通过增加光子或离子的数量来增加量子位的数量，但是使用多个自由度可以更有效地增加量子位的数量。此外，这使我们能够在同一量子位上使用更少的粒子（光子），从而进一步提高整个系统的稳定性。某些需要大量计算和存储的量子信息技术也将受益，例如量子超密集编码、简化量子逻辑门技术和多自由度单光子传输技术。

从上图中的a到e，可以看到整个18量子比特纠缠系统的简化结构图。其中a和b是量子纠缠的编码部分，cde是相应的测量部分。

在入口处，波长为788nm、脉冲宽度为120fs、重复率为76MHz 的超快激光通过三硼酸锂(LBO) 二向色滤光片转换为394nm 光。然后，光线继续穿过由两个-硼酸钡(BBO) 和一个半波片(HWP) 组成的夹层非线性晶体，该晶体将三个纠缠光子分开，如图a 1-6 所示。一对。

然后每个光子穿过不同厚度和方向的YVO4 晶体以进行空间和相位校正、编码偏振的PBS、编码偏振分束器的PBS 以及编码轨道角动量的SPP。具有三个自由度的单光子量子态。

测量部分就像编码部分的镜像系统，通过顺序解码获得信息。解码量子纠缠的过程实际上就像坐在中国的房子里，发现你的孙子出生在大洋彼岸。但你有很多儿子，你却查不出孩子是谁生的。查出孩子是谁生的。从孙子的照片中找到一些线索，猜测整体信息。比如我们可以看到这个孩子是萧无生的三儿子。但当我们相差18 代人时会发生什么呢？这个推导过程可能需要很长时间，并且产生的信息处于2^8=262144 种不同的状态，使得数据量非常大，需要高效、高保真的测量系统。

这个18量子位纠缠系统总共使用了48个单光子探测器，可以同时测量262,144种组合，最终量子态保真度达到0.7080.016。一般认为，在多粒子纠缠系统中，大于0.5的量子态保真度足以实现有效的量子纠缠。

简而言之，潘建伟团队创建的18量子比特纠缠系统不仅创下了量子比特数量的世界纪录，而且利用多粒子、多自由度来增加数量，还开创了数字递增的创新思路。量子位。

图| 在纽约约克敦高地Thomas J. Watson 研究中心的IBM 量子计算中心，量子计算机被安置在大型低温容器（最右侧）中，可以冷却到接近绝对零的温度。

这一成果对我国量子技术的发展具有深远影响，欧美国家积极整合各种研究力量和资源，开展国家级联合研究：欧盟于2016年宣布启动量子技术旗舰项目，美国国会最近也正式通过了国家量子行动计划。谷歌、微软和IBM 等大型科技公司已经在量子计算研究上投入巨资……现在中国也不甘落后。马里兰大学帕克分校的量子物理学家克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe) 告诉：“每年有好几次，我都会震惊地读到他们（潘的团队）正在做的事情”。

参考：

[1] 王晓丽， 罗永辉， 黄慧丽， 等. 光子3自由度的18量子比特纠缠[J], 2018.

[2]Barreiro J T, Langford NK, Peters NA, et al. Generation of superentangled photonpairs, [J]. Physical Review Letters, 2005, 95(26):260501.

[3] 高文波， 陆春云， 姚新昌， 等， 超纠缠10量子比特薛定谔猫态的实验演示[J], 自然物理， 2008, 6(5):331-335.