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光學工程
多自由度量子體系隱形傳態

中國科學技術大學潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂等組成的研究小組在國際上首次成功實現多自由度量子體系的隱形傳態。2月26日,國際權威學術期刊《自然》雜志以封面標題的形式發表了這一最新研究成果。這是自1997年國際上首次實現單一自由度量子隱形傳態以來,科學家們經過18年努力在量子信息實驗研究領域取得的又一重大突破,為發展可擴展的量子計算和量子網絡技術奠定了堅實的基礎。

 

對單光子自旋和軌道角動量的量子隱形傳態過程的圖片展示:

具有軌道角動量的光子以螺旋線向前傳輸;光子攜帶的自旋角動量由箭頭表示。

 

量子隱形傳態在概念上非常類似于科幻小說中的“星際旅行”,可以利用量子糾纏把量子態傳輸到遙遠地點,而無需傳輸載體本身。量子隱形傳態作為量子信息處理的基本單元,在量子通信和量子計算網絡中發揮著至關重要的作用。1997年,國際上首次報道了單一自由度量子隱形傳態的實驗驗證,該工作隨后與倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學21篇經典論文”。

 

此后,作為國際學術界量子信息實驗領域的重要研究熱點,量子隱形傳態又先后在包括如冷原子、離子阱、超導、量子點和金剛石色芯等諸多物理系統中得以實現。然而,以往所有的實驗實現都存在著一個根本的局限,即只能傳輸單個自由度的量子狀態,而真正的量子物理體系自然地擁有多種自由度的性質,即使是一個最簡單的基本粒子,如單光子,它的性質也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等等。多自由度的量子隱形傳態作為發展可拓展量子計算和量子網絡技術的必經途徑,成為近二十年來量子信息基礎研究領域的一個巨大挑戰。

 

在中科院、教育部、科技部和基金委等有關科教主管部門的大力支持下,潘建偉小組面對挑戰,選取單光子自旋和軌道角動量作為研究對象,創造性地發展了多項新穎的多粒子多自由度的糾纏操縱技術,巧妙地設計了利用單光子非破壞測量技術實現自旋和軌道角動量多自由度貝爾態測量的新方案。經過多年艱苦努力,研究人員成功制備了國際上最高亮度的自旋-軌道角動量超糾纏源、高效率的軌道角動量測量器件,突破了以往國際上只能操縱兩光子軌道角動量的局限,搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動量糾纏實驗平臺,成功實現了多自由度量子體系的隱形傳態。

 

 

歐洲物理學會Physicsworld 頭條報道截圖

 

該實驗成果得到了《自然》雜志審稿人的高度評價,他們一致稱贊該工作“絕對新穎、重要,處于當前量子光學和量子信息領域的最前沿,可以認為是一個偉大的成就”、“在1997年單個自由度量子隱形傳態實驗實現的18年之后,這個工作從基本概念上將量子隱形傳態提升到了一個新的水平”、“非常有趣,意義重大,且具有極其苛刻的技術難度”。由于該成果的重要性,《自然》雜志專門邀請國際知名量子光學專家Wolfgang Tittel教授在同期的“新聞視角”(News and Views)欄目撰文評論:“該實驗實現為理解和展示量子物理的一個最深遠和最令人費解的預言邁出了重要的一步,并可以作為未來量子網絡的一個強大的基本單元”。該論文發表后,第一時間受到了美國《科學新聞》(Science News)和歐洲物理學會新聞網站Physics World等多家國際媒體的報道,稱“該工作不僅為提升量子力學基礎問題的理解邁進了關鍵一步,也將在未來量子計算機的研制中扮演重要角色”。


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