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该实验结果第壹次表明了在随性所欲空间实行中

来源:http://www.qd-haiyu.com 作者:澳门金莎娱乐网站-官方首页 时间:2019-09-11 13:47

近日,在国际权威学术期刊《自然》杂志2012年底推出的年度回顾特刊中,我校实现百公里自由空间量子隐形传态和纠缠分发的研究成果被选为年度十大新闻亮点(Features of the Year)。《自然》杂志在其为该研究成果专门撰写的长篇新闻特稿(News Feature)“数据隐形传输:量子太空竞赛(Data teleportation: The quantum space race)”中指出:在量子通信领域,中国用了不到十年的时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅;中国将领先于欧洲和北美发射量子科学实验卫星,建立起首个全球量子通信网络,同时还可能对诸如“量子理论是否适用于太空尺度”、“量子理论和广义相对论是否可以融合进一个统一的量子引力理论框架”等基本物理问题进行实验检验。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士及其同事彭承志、陈宇翱等,与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成的联合研究团队,在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,通过地基实验坚实地证明了实现基于卫星的全球量子通信网络的可行性,该研究成果于8月9日以封面标题的形式发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。

据外媒报道,中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟与同事陈宇翱、陆朝阳等在国际上首次成功实现八光子薛定谔猫态,打破了之前由该研究组保持了多年的六光子纪录,再次刷新了光子纠缠态制备的世界记录。这个工作于2月12日发表在英国《自然》杂志的子刊《自然·光子学》上。

日前,由我校与清华大学组成的联合小组成功实现16公里的世界上最远距离的量子隐形传态,比此前的世界纪录提高了20多倍。该实验结果首次证实了在自由空间进行远距离量子隐形传态的可行性,向全球化量子通信网络的最终实现迈出了重要一步。6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然•光子学》以封面论文形式发表了这一研究成果——自由空间量子隐形传态的实验研究[Nature Photonics 4, 376-381 ]。该工作得到了科技部重大科学研究计划、中科院知识创新工程重大项目、国家自然科学基金项目等资助。

上述研究成果于2012年8月9日以封面标题的形式发表在《自然》杂志[Nature 488, 185 ]后,因其通过地基实验坚实地证明了实现基于量子卫星的全球量子通信网络和开展大尺度基本物理问题实验检验的可行性而获得了国际学术界的广泛关注和高度评价。例如,该成果同时还被美国《科学新闻》(Science News)评选为2012年度25项重大科技进展之一(2012 Science News Top 25),并以“量子跳跃”为题进行了专题介绍。

在任意距离间传输未知量子态是实现远距离量子通信和分布式量子网络必不可少的环节,它可以通过远距离量子态隐形传输和纠缠分发来实现。目前,量子态隐形传输和纠缠分发已经在中等距离的光纤得到了实现,但是巨大的光子损耗和消相干效应使得要在光纤中实现更远距离的量子传输必须引入量子中继器,而量子中继器的实用化在实验上还是一个很大的挑战。自由空间信道由于损耗小,比光纤通信更具可行性,结合卫星的帮助,将有可能在全球尺度上实现超远距离的量子通信和量子力学基础检验。

据悉,论文的预印本于2011年5月底在网站arXiv.org公开后,引起学术界的广泛关注。随后,欧美多家知名科技媒体,包括欧洲物理学会(Institute of Physics)、美国麻省理工学院技术评论(MIT Technology Review)、美国物理学家组织、大众科学(Popular Science)、英国ZDNet网站等马上报道了这一工作,称“潘建伟小组打破了自己保持的六光子纪录,首次实验纠缠了八个光子”、“该技术在量子计算、精密测量和量子纠错中有特别的用途”。这个实验工作也受到了审稿人的高度评价,被赞誉为“量子光学领域的一个重大进展”。据悉,之后国际上有其它小组也报道在实验上观测到八光子纠缠态,但潘建伟小组在亮度、纯度等关键指标上每一项都保持着国际最优水平。

据联合小组研究成员彭承志教授介绍,量子隐形传态是一种全新的通信方式,它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息,它是未来量子中继器和量子通信网络的核心元素。在量子纠缠的帮助下,待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的“超时空传输”,在一个地方神秘地消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方神秘地出现。这个奇特的现象引起了学术界和公众的广泛兴趣。1997年,奥地利Zeilinger小组在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证,成为量子信息实验领域的经典之作。2004年,该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子隐形传态距离提高到了600米。但是由于光纤信道中的损耗和退相干效应,传态的距离受到了极大的限制,如何大幅度地提高量子隐形传态的距离成了量子信息实验领域的重要研究方向。

要实现量子信息科学的核心目标——实用化量子计算和远距离量子通信,关键是通过发展多粒子量子系统的相干操纵技术实现可扩展的大尺度量子信息处理。上述研究成果仅为2012年中国科大潘建伟小组在该研究方向取得的系列重要进展之一。此外,潘建伟小组利用自主发展的高亮度、高纯度量子纠缠源技术,在国际上首次实现了八光子薛定谔猫态,刷新了由该小组保持的多光子纠缠态制备的世界纪录,论文发表在《自然》杂志的子刊《自然•光子学》上[Nature Photonics 6, 225 ]。随后,他们利用八光子纠缠“簇态”,在国际上首次实验实现了拓扑量子纠错,证明拓扑编码可以显著减少量子比特错误率,显示了容错量子信息处理的强大能力。成果以长文的形式发表在《自然》杂志上[Nature 482, 489 ],这是量子信息领域以中国为第一单位发表在该杂志上的首篇长文。同时,潘建伟小组还在量子中继器的实用化研究上取得了突破,他们成功实现了长寿命、高读出效率的量子存储,该成果为目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果,朝着最终实现实用化的量子中继器迈进了重要一步,论文发表在《自然》杂志的子刊《自然•物理》上 [Nature Physics 8, 517 ]。

2005年,潘建伟小组在国际上首次实现了距离大于垂直大气层等效厚度的自由空间双向纠缠分发。此后,在中科院知识创新工程重大项目“远距离量子通信实验研究”、“空间尺度量子实验关键技术与验证”和中科院量子战略性先导科技专项的持续支持下,潘建伟小组对自由空间量子实验关键技术进行了大量的研究。2010年,该小组在国际上首次实现了16公里自由空间量子态隐形传输。从2010年开始,中科院联合研究团队在青海湖地区建立实验基地,开展验证星地自由空间量子通信可行性的地基实验研究,从多个方面进行攻关,旨在突破基于卫星平台自由空间量子通信的关键技术瓶颈。

发展实用化的量子计算必然依赖于对多个量子态的相干操纵。一个形象的比喻是,一个多粒子纠缠的实验平台如同驾驭量子计算的航空母舰,倚籍于这个载体才有可能施展拳脚,研究各种量子计算的方案。薛定谔猫态是量子世界里最奇妙的现象之一,不仅奠定了量子力学的理论基础,而且集中体现了多粒子操纵的核心技术。因此,实现多粒子的薛定谔猫态的研究一直是国际上一个竞争非常激烈的领域。

2004年,中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间信道中实现更远距离的量子通信。在自由空间信道中,光子传输几乎不存在退相干效应,而一旦穿透大气层进入到外层空间,光子的损耗更是接近于零,这使得自由空间信道比光纤信道在大尺度上具有特别的优势。该小组2005年在合肥创造了13公里的双向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子对的可行性。2007年开始,中国科大-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态,证实了量子隐形传态过程穿越大气层的可行性,为未来基于卫星中继的全球化量子通信网鉴定了可靠基础。除此之外,联合小组还在该研究平台上针对未来空间量子通信需求开展了诱骗态量子密钥分发等多个方向的研究,取得了丰富的成果。

潘建伟小组取得的上述系列重要进展受到了国际学术界的广泛关注,《自然》、《科学》、《科学美国人》和《新科学家》等国际著名科学杂志以及欧洲物理学会新闻网Physics World、美国物理学会新闻网Physics Today等知名学术网站均进行了专题报道。

经过近十年的艰苦努力,在中科院、科技部、基金委等的大力支持下,潘建伟小组为实现大尺度量子信息处理发展了若干关键量子技术。该小组发展的超高亮度量子纠缠源技术自2004年开始一直处于国际领先水平,目前的亮度比十年前提高了500倍。该小组还发展了一套高精度的时间同步技术,在百公里量级时间同步精度达到1纳秒。与此同时,中科院联合研究团队发展了一套高频率、高精度的瞄准、捕获和跟踪技术和装置,确保了百公里量子信道的衰减稳定在一个可以进行实验的范围内,这是世界上首次将高频率高精度的跟瞄技术应用到量子通信的实验中,该技术可以用来跟踪移动目标,将来可以直接利用到卫星的跟瞄上。

在中科院、科技部和基金委的长期支持下,从2002年在中国科大建立实验室开始,潘建伟小组就一直牢牢盯住这个战略性的重要课题。2000年,美国国家标准局在离子阱体系上首先实现四离子的纠缠态。2004年,潘建伟小组打破这一记录,在国际上首次成功实现对五光子纠缠的操纵,论文发表在《自然》杂志上,被欧洲物理学会和美国物理学会同时评为“国际年度物理学重大进展”。2007年,潘建伟小组又率先突破六光子纠缠。论文发表在《自然·物理学》上,为同年发表在该期刊上被引用最多的两篇研究论文之一。而在欧洲,一直到2009年,维也纳大学、慕尼黑大学和斯德哥尔摩大学才相继观测到六光子纠缠。2010年,潘建伟小组通过发展新型超纠缠技术,成功制备了由五个光子极化和空间态相干叠加形成的十量子比特薛定谔猫态,被审稿人称赞为一个实验壮举,并被欧洲物理学会、英国BBC等广泛报道。

我国科学家在自由空间量子通信方向上的一系列工作引起了国际学术界的广泛关注。英国的《新科学家》 (New Scientist)、美国的《今日物理》(Physics Today)等多家学术新闻媒体均对这些工作进行了报道。其中,美国物理学会的新闻网站physicstoday.org在量子隐形传态论文刚刚在线刊登时,即以“Quantum teleportation through open air(量子隐形传态穿过开放大气)”为题具体报道了这一工作。美国的物理新闻网站PhysOrg也以“Quantum teleportation achieved over 16 km(量子隐形传态达到16公里)”为题进行了报道。

(微尺度物质科学国家实验室)

利用所发展的若干核心量子技术,今年潘建伟小组在大尺度量子信息处理方面取得了系列重要进展:在基于超高亮度纠缠源技术的基础上,他们在国际上首次实现了八光子纠缠,论文发表在《自然》杂志的子刊《自然•光子学》上 [Nature Photonics 6, 225 ],欧美多家知名科技媒体,包括欧洲物理学会、美国麻省理工学院技术评论、美国物理学家组织、大众科学、英国ZDNet网站等分别对其进行了专题报道。随后,他们利用八光子纠缠,在国际上首次实验实现了拓扑量子纠错,取得了可扩展容错性量子计算领域的重大突破,论文发表在《自然》杂志上[Nature 482, 489 ],《自然》杂志的几位审稿人给予了热情洋溢的高度评价,称之为“非常重要的原理性实验,一个艰苦卓绝的英雄主义的量子光学实验”,“实验的完成是完美而极具挑战性的”,“对拓扑纠错这一当前量子信息处理最引人注目的范例中关键一环的实验验证”。为此,《自然》专门邀请著名量子光学专家James Franson教授在“新闻视角”栏目撰文对这个工作进行了介绍。随后,工作受到了欧洲物理学会的《物理世界》等许多科学媒体的关注。同时,潘建伟小组还在量子中继器的实用化研究上取得了突破,他们成功实现了长寿命、高读出效率的量子存储,该成果为目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果,朝着最终实现实用化的量子中继器迈进了重要一步,论文发表在《自然》杂志的子刊《自然•物理》上 [Nature Physics 8, 517 ]。

对八光子的操纵就自然地成为了量子信息领域的下一个重大目标。这项技术需要控制四对独立的纠缠源,符合计数的亮度极低,并且有多种噪声来源。这是极具挑战的一个课题。通过四年多的潜心研究,潘建伟团队对多光子操纵技术进行了进一步革新,制备了世界上亮度和纯度最佳的脉冲纠缠光子源。在此基础上,通过优化每个细节,发展低噪声八光子干涉仪,潘建伟团队于2011年首次在国际上完美掌握了八光子纠缠技术,这一技术随后马上被应用于拓扑量子纠错的实验研究。这一成果表明,我国继续领先于美国、德国和奥地利等发达国家,在国际上牢牢地把握了多光子纠缠研究领域的制高点。

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