中国科大量子信息实验研究获重大突破

 

    日前，中国科学技术大学潘建伟院士研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，科学家们经过18年努力在量子信息实验领域取得的又一重大突破，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定坚实基础。
在微观世界中，有两个共同来源的微观粒子，即使隔着太阳系，只要其中一个粒子状态发生变化，另一个状态立即发生相应变化，如同一对有“心灵感应”的双胞胎，这就是被爱因斯坦等科学家称作“幽灵般超距离作用”的“量子纠缠”。量子态隐形传输的实现，靠的就是神奇的“量子纠缠”现象。量子隐形传态类似于科幻电影中的“星际旅行”，具有纠缠特性的两个量子，通过特定的“时空隧道”，不需要任何介质，就可以实现文字、图片、声音、视频等信息的精确传输。
作为量子信息处理的基本单元，量子隐形传态在量子通信和量子计算网络中发挥着至关重要的作用。1997年，奥地利塞林格教授研究小组在国际上首次实现单一自由度量子隐形传态的实验验证，其成果随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大科技成果一起，入选《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。
在过去18年中，量子隐形传态虽在冷原子等诸多物理系统中实现，但传输的量子态只是基本粒子的单个自由度状态，即部分信息而不是完整信息。然而，即使最简单的基本粒子如单光子，其性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等多个自由度。实现多自由度量子隐形传态，成为发展可拓展量子计算和量子网络技术必须突破的瓶颈。面对挑战，潘建伟小组选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象，创造性发展了多项新颖的多粒子多自由度纠缠操纵技术，巧妙设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度测量的新方案，并突破以往国际上只能操纵2光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，成功实现多自由度量子隐形传态。
    2月26日，国际权威学术期刊《自然》以封面标题形式发表了这一重大成果，审稿人称赞这项研究“绝对新颖、重要，处于当前量子光学和量子信息领域的最前沿，是一个伟大的成就”。