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【图说科普】国家自然科学一等奖的“量子纠缠”到底是个啥?

2016-01-11 09:04
汉水狂客
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  近日,潘建伟院士带领的中国科学技术大学团队的“多光子纠缠和干涉度量学”获得了2015年度国家自然科学一等奖,是中国自然科学领域的最高奖项。该团队也打破了国家自然科学一等奖历史上最年轻团队的记录。五位完成人按获奖顺序依次为潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授。其中潘建伟、彭承志、陈增兵三位为“70后”,陈宇翱和陆朝阳为“80后”。

  与以往的很多国家自然科学一等奖相比,该团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃,其成果3次入选美国物理学会(AmericanPhysicalSociety)评选的“年度物理学重大事件”(TheTopPhysicsStoriesoftheyear),2次入选英国物理学会(InstituteofPhysics)评选的“年度物理学重大进展”(Highlightsoftheyear),最近被英国物理学会的Physicsworld网站评选为2015世界物理学十大进展第一名(BreakthroughoftheYear)。

  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”,细心的朋友会发现这就是潘建伟院士2012年在《现代物理评论》(ReviewofModernPhysics)杂志上发表的论文“Multiphotonentanglementandinterferometry”的译名。《现代物理评论》为物理学领域最顶级的综述杂志,仅向各个领域世界知名的物理学家约稿来介绍该领域最新进展。潘院士这篇综述也是中国科学家发表在该刊物的第一篇实验论文。

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    在量子通信和量子计算等多个方向上,潘建伟团队都取得了世界领先的科研成果,而“多光子纠缠和干涉度量学”作为核心研究内容之一,贯穿始终。“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。

  量子力学中“纠缠”指的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,

  另一个粒子B也处于叠加态:

  ΦB=c|0>B+d|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=ad|0>A|1>B+bc|1>A|0>B

  就是一个纠缠态: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。

  

  在没有外界干扰的情况下,无论两个粒子相隔多远,纠缠态都可以存在,因此量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spookyactionatadistance),并以此来质疑量子力学的完备性(因为违反了他提出的“定域性”原理)。但是后来一次次实验都证实量子力学是对的,非定域的量子纠缠可以存在,定域性原理必须舍弃。

  随着量子信息学的诞生,量子纠缠成为了量子通信和量子计算的核心。最新的研究表明,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。

  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。在实验上,光子纠缠需要对光子源产生的光子通过各种光学干涉的方法来获取,这就是“多光子纠缠”和“多光子干涉度量学”成为一个整体课题的原因。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。

  如图1,一个紫外光脉冲照射BBO晶体可以有一定概率产生一对光子(o和e),通过在偏振分束器(PBS)上的一次干涉,o光子和e光子都可以形成水平偏振H和竖直偏振V的叠加态,于是o光子和e光子就形成了一个纠缠态|HH>+|VV>(即o光子是H偏振时,e光子一定也是H偏振,反之o光子是V偏振时,e光子一定也是V偏振)。

  图1双光子干涉和纠缠产生的光路示意图

 

  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。潘建伟团队从2004年开始,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,2007年在世界上第一个实现了6光子纠缠,2012年在世界上第一个实现了8光子纠缠,并且保持该记录至今。

  图2是实现8光子纠缠的光路简图。由于光子产生和光学干涉测量的概率都是随着光子数指数上升,所以每增加一个纠缠光子,光学干涉系统就要复杂一倍,纠缠的产生难度也会随着光子数指数上升。该团队通过一个个在国际上原创的多光子干涉测量技术,经过不懈努力克服各种实验困难,才能够多次打破自己保持的世界记录,并将记录定格为8个。

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