中科大潘建偉團隊首次實現18個光量子比特的糾纏
5光量子比特糾纏、6光量子比特糾纏、8光量子比特糾纏、10光量子比特糾纏 ， 18光量子比特糾纏……
在位于中國科技大學東區理化大樓中編號為“01003”的實驗室內 ， 密布著錯綜復雜的管線及各類光學和電子設備 ， 中科大教授潘建偉和他的團隊在這里不斷攻關 ， 刷新著光量子比特糾纏數目的世界紀錄 。 日前 ， 潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏 ， 再次刷新了所有物理體系中最大糾纏態制備的世界紀錄 。
什么是量子比特？什么又是量子糾纏？逐次刷新世界紀錄的意義何在？
量子糾纏 ， 是量子疊加在多粒子條件下的特殊形態
“量子是能量的最小單元 ， 人們所熟知的分子、原子、電子等微觀粒子狀態的改變 ， 都涉及能量變化 ， 這一過程改變的能量就是一份一份的量子 。 比如日常生活中的光 ， 就是大量光量子組成的 。 ”中科大研究員汪喜林說 。
什么是量子比特？任何信息在編碼、操作、處理等時 ， 都有一個最基本的處理單元 ， 叫做比特 。 比特是由英文BIT音譯而來 ， 是信息量的度量單位 ， 也是信息量的最小單位 。 潘建偉團隊研究人員介紹 ， 人們常用的手機、電腦等電子計算機所用到的比特 ， 被稱為經典比特 。 量子比特就是進行量子信息處理的最基本單元 。
那么 ， 量子比特糾纏又是怎么一回事？
“在宏觀的經典世界里 ， 0就是0 ， 1就是1 。 而在微觀的量子世界中 ， 一個狀態可存在于1和0的疊加 ， 它既不是0、也不是1 ， 但它既是0、又是1 。 ”汪喜林以著名的“薛定諤的貓”進行描述 ， “在經典世界里 ， 貓要么是活的 ， 要么是死的 ， 但在量子世界里的貓則可能處于‘又死又活’的疊加狀態 。 ”一個經典比特只存在0或1兩種狀態 。 而一個量子比特 ， 不僅可處于0或1兩種狀態 ， 還可處于“0+1”的疊加態 。
而量子糾纏 ， 則是量子疊加在多粒子條件下的特殊表現形態 。 汪喜林隨手拿起兩張紙進行解釋 。 在經典比特的場景下 ， 一張紙朝上朝下 ， 與另一張紙沒有任何關聯 。 但當有兩個量子比特時 ， 就會出現量子糾纏現象 。
“當兩個量子比特建立糾纏之后 ， 哪怕把它們分得很遠 ， 人們會發現 ， 當一張紙朝上時 ， 另一張也是朝上；當一張紙朝下時 ， 另一張也朝下；當三個量子比特建立糾纏時 ， 發現一張紙朝上時 ， 另外兩張也朝上；一張紙朝下時 ， 另外兩張紙也朝下；以此類推 ， 18個量子比特糾纏 ， 就是18個同時朝上 ， 或18個同時朝下 ， 且處于18個0+18個1的疊加狀態 。 ”汪喜林說 。
量子計算需多個光量子比特糾纏 ， 數量越多越好
“經典計算機處理的經典比特 ， 一次只能處理某一個數據 ， 而將來量子計算機在處理量子比特時 ， 可以處于多個數據的相干疊加狀態 ， 具有強大的并行計算優勢 。 ”汪喜林這樣形容 ， “操縱N個量子比特的量子計算機 ， 原理上可以對2的N次方個數據同時進行數學運算 ， 相當于經典計算機重復實施2的N次方次操作 。 ”
對數據的處理可以實現運算的并行 ， 運算速度會大大提高 ， 同時 ， 量子計算的速度會隨著實驗可操縱的糾纏比特數的增加而呈指數級提升 。 多個量子比特的相干操縱和糾纏態制備是發展可擴展量子信息技術 ， 特別是量子計算的最核心指標 ， 量子計算需用到多個光量子比特糾纏 ， 數量越多越好 。
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