获得国家自然科学一等奖的“多光子纠缠和干涉度量学”是什么?

2019-12-03 08:58:10

  2016年1月8日,潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授等5人团队获得了2015年度国家自然科学一等奖,并在人民大会堂接受颁奖。5位老师均来自中国科学技术大学,他们是该奖项历史上最年轻的获奖团队,其中潘建伟、彭承志、陈增兵3位老师为70后,而陈宇翱和陆朝阳两位老师为80后。
  国家自然科学一等奖是中国自然科学领域的最高奖项,很多耳熟能详的老一辈科学家历史上都作为过获奖人名列其中(见《国家自然科学奖一等奖都颁给过谁?》),但是因2014年获奖的“透明计算”存在较大争议,今年急需一个众望所归的团队来重新树立该奖项的声誉。恰好2015年初潘院士团队作为最大热门参加了该奖项的评选,并最终毫无悬念地得奖。
  潘建伟院士的团队是世界上量子信息研究的领军者之一,在量子通信领域更是世界最强。与以往的历届国家自然科学一等奖相比,潘建伟团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃。截止到2015年,该团队成果3次入选了美国物理学会(American Physical Society)评选的“年度物理学重大事件”(The Top Physics Stories of the year),2次入选了英国物理学会(Institute of Physics)评选的“年度物理学重大进展”(Highlights of the year)。2015年年末更是被英国物理学会的Physics world网站评选为2015世界物理学十大进展第一名(Breakthrough of the Year),这在中国物理学界是史无前例的。
  这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”1。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子产生纠缠。这是利用光子做量子隐形传态和量子计算的必要前提。而“干涉”就是实验上实现多光子纠缠的手段。潘建伟院士团队在量子通信和量子计算等多个方向上都取得了世界领先的科研成果,“多光子纠缠和干涉度量学”就作为其核心研究内容之一,贯穿始终。
  介绍“多光子纠缠和干涉度量学”,首先需要介绍一下什么是量子纠缠。
  量子纠缠
  量子力学中最神秘的就是叠加态,而“量子纠缠”就是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例,一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态,可以用一个量子比特来表示:
  ΦA=a|0>A+b|1>A
  (|>为狄拉克符号,代表量子态。a和b是任意两个复数,满足关系|a|2+|b|2=1,后同。)同时另一个粒子B也可以处于叠加态,即:
  ΦB=a|0>B+b|1>B
  当两个粒子发生纠缠,就会形成一个双粒子的叠加态,例如:
  ΦAB=a|0>A|1>B +b|1>A|0>B
  就是一个纠缠态:无论两个粒子相隔多远,只要没有外界干扰,当A粒子处于0态时,B粒子一定处于1态;反之,当A粒子处于1态时,B粒子一定处于0态。
  用薛定谔的猫做比喻,就是A和B两只猫如果形成上面的纠缠态:


  无论两只猫相距多远,即便在宇宙的两端,当A猫是“死”的时候,B猫必然是“活”;当A猫是“活”的时候,B猫一定是“死”(当然真实的情况是猫这种宏观物体不可能把量子纠缠维持这么长时间,几亿亿亿亿分之一秒内就会解除纠缠。但是基本粒子是可以的,比如光子。)。
  这种跨越空间的瞬间影响双方的量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance),并以此来质疑量子力学的完备性,因为这个超距作用违反了他提出的“定域性”原理。这就是著名的“EPR佯谬”。
  但是后来一次次实验(即贝尔不等式实验)都证实量子力学是对的,量子纠缠就是非定域的,因此爱因斯坦的定域性原理必须舍弃。2015年的无漏洞贝尔不等式测量实验,基本宣告了定域性原理的死刑(见《爱因斯坦错了:量子纠缠的漏洞,(几乎)都被堵上了》)。
  最新的研究标明,微观的量子纠缠和宏观的热力学第二定律,甚至是时间之箭的起源都有着密不可分的关系(见《时间之箭源于量子纠缠?》)。
  随着量子信息学的诞生,量子纠缠已经不仅仅是一个基础研究,它已经成为了量子信息科技的核心:例如利用量子纠缠可以完成量子通信中的量子隐形传态,可以完成一次性操作多个量子比特的量子计算。让更多的粒子纠缠起来是量子信息科技不断追寻的目标。
  多光子纠缠和干涉度量学
  有了量子纠缠的概念,就可以去理解“多光子纠缠干涉度量学了”。
  多光子纠缠和干涉度量学就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。下图就是通过干涉形成双光子纠缠的方法:一个紫外光脉冲照射一种叫做BBO的晶体,可以有一定概率产生一对光子(记作o光子和e光子)。两个光子通过在偏振分束器(PBS)上的一次干涉,就可以形成一个纠缠态|HH>+|VV>(即当o光子是H偏振时,e光子一定也是H偏振,反之当o光子是V偏振时,e光子一定也是V偏振)。


  如果这种把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加,扩展到更多的光子,就可以形成更多光子的纠缠。针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求,纠缠的光子数自然是越多越好。但是随着产生纠缠的光子数越多,干涉和测量的系统也就越复杂,实验难度也就越大。
  潘建伟团队从2004年开始,通过一个个在国际上原创的多光子干涉和测量技术,一直保持着纠缠光子数的世界纪录。2004年在世界上第一个实现了5光子纠缠3,2007年在世界上第一个实现了6光子纠缠4,2012年在世界上第一个实现了8光子纠缠2,并且保持该记录至今。


  实现8光子纠缠的光路图。

  上图就是实现8光子纠缠世界纪录的光路图。每增加一个纠缠光子,光学干涉系统就要复杂一倍,纠缠的产生的难度会随着光子数指数上升。因此需要不懈努力克服种种实验困难,才能够多次打破自己保持的世界记录,在这个领域一直领先世界。我们在学生时代都视潘建伟老师为偶像,而现在的物理系学生们更直接称呼他为“潘神”了。于是这个8光子纠缠光路就像“潘神的迷宫”一样复杂,精巧,困难重重,但又引人入胜。
  尽管“多光子纠缠和干涉度量学”获得了国家自然科学一等奖,但这仅仅是潘建伟院士团队的一部分工作。2016年,该团队承担研制的世界首颗“量子科学实验卫星”将发射升空,将实现世界首个星地间的量子保密通信和量子隐形传态。同时该团队主导建设的世界首个量子保密通信主干网络“京沪干线”也即将建成,将推动量子保密通信进入军事,银行,互联网数据中心等各个行业之中。
  在量子计算领域,该团队不久前和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子计算联合实验室”,在保持光量子计算世界领先地位的同时,将大力推动我国量子计算整体研究水平(见《阿里巴巴投资研究量子计算,有什么用?》)。我们有理由期待潘建伟院士的团队在未来会带给这个世界更多的惊喜。