5光量子比特糾纏、6光量子比特糾纏、8光量子比特糾纏、10光量子比特糾纏，18光量子比特糾纏……

在位于中國科技大學東區(qū)理化大樓中編號為“01003”的實驗室內(nèi)，密布著錯綜復(fù)雜的管線及各類光學和電子設(shè)備，中科大教授潘建偉和他的團隊在這里不斷攻關(guān)，刷新著光量子比特糾纏數(shù)目的世界紀錄。日前，潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，再次刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀錄。

什么是量子比特?什么又是量子糾纏?逐次刷新世界紀錄的意義何在?

量子糾纏，是量子疊加在多粒子條件下的特殊形態(tài)

“量子是能量的最小單元，人們所熟知的分子、原子、電子等微觀粒子狀態(tài)的改變，都涉及能量變化，這一過程改變的能量就是一份一份的量子。比如日常生活中的光，就是大量光量子組成的。”中科大研究員汪喜林說。

什么是量子比特?任何信息在編碼、操作、處理等時，都有一個最基本的處理單元，叫做比特。比特是由英文BIT音譯而來，是信息量的度量單位，也是信息量的最小單位。潘建偉團隊研究人員介紹，人們常用的手機、電腦等電子計算機所用到的比特，被稱為經(jīng)典比特。量子比特就是進行量子信息處理的最基本單元。

那么，量子比特糾纏又是怎么一回事?

“在宏觀的經(jīng)典世界里，0就是0，1就是1。而在微觀的量子世界中，一個狀態(tài)可存在于1和0的疊加，它既不是0、也不是1，但它既是0、又是1。”汪喜林以著名的“薛定諤的貓”進行描述，“在經(jīng)典世界里，貓要么是活的，要么是死的，但在量子世界里的貓則可能處于‘又死又活’的疊加狀態(tài)。”一個經(jīng)典比特只存在0或1兩種狀態(tài)。而一個量子比特，不僅可處于0或1兩種狀態(tài)，還可處于“0+1”的疊加態(tài)。

而量子糾纏，則是量子疊加在多粒子條件下的特殊表現(xiàn)形態(tài)。汪喜林隨手拿起兩張紙進行解釋。在經(jīng)典比特的場景下，一張紙朝上朝下，與另一張紙沒有任何關(guān)聯(lián)。但當有兩個量子比特時，就會出現(xiàn)量子糾纏現(xiàn)象。

“當兩個量子比特建立糾纏之后，哪怕把它們分得很遠，人們會發(fā)現(xiàn)，當一張紙朝上時，另一張也是朝上;當一張紙朝下時，另一張也朝下;當三個量子比特建立糾纏時，發(fā)現(xiàn)一張紙朝上時，另外兩張也朝上;一張紙朝下時，另外兩張紙也朝下;以此類推，18個量子比特糾纏，就是18個同時朝上，或18個同時朝下，且處于18個0+18個1的疊加狀態(tài)。”汪喜林說。

量子計算需多個光量子比特糾纏，數(shù)量越多越好

“經(jīng)典計算機處理的經(jīng)典比特，一次只能處理某一個數(shù)據(jù)，而將來量子計算機在處理量子比特時，可以處于多個數(shù)據(jù)的相干疊加狀態(tài)，具有強大的并行計算優(yōu)勢。”汪喜林這樣形容，“操縱N個量子比特的量子計算機，原理上可以對2的N次方個數(shù)據(jù)同時進行數(shù)學運算，相當于經(jīng)典計算機重復(fù)實施2的N次方次操作。”

對數(shù)據(jù)的處理可以實現(xiàn)運算的并行，運算速度會大大提高，同時，量子計算的速度會隨著實驗可操縱的糾纏比特數(shù)的增加而呈指數(shù)級提升。多個量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴展量子信息技術(shù)，特別是量子計算的最核心指標，量子計算需用到多個光量子比特糾纏，數(shù)量越多越好。

然而，下一步要實現(xiàn)更多個量子比特的糾纏，需進行高精度、高效率的量子態(tài)制備和獨立量子比特間相互作用的精確調(diào)控。但隨著量子比特數(shù)的增加，操縱帶來的噪聲、串擾和錯誤也隨之增加。這對量子體系的設(shè)計、加工和調(diào)控要求極高，對量子糾纏和量子計算的發(fā)展構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

怎么緩解上述問題，達到提升量子比特糾纏數(shù)的目標，研究團隊近期把重點放在了光子的多個自由度的調(diào)控方法上。“比如，1個光子過去往往用于編碼1個量子比特，10個光量子比特的糾纏就需要10個光子。如讓光量子比特糾纏數(shù)目提升，就要把光子數(shù)再往上提升，但這難度太大了。我們現(xiàn)在就在想，能不能用每個光子編碼多個光量子比特。”汪喜林解釋，現(xiàn)在通過操縱一個光子的偏振、路徑和軌道角動量等多種自由度，讓一個光子編碼3個光量子比特，這樣6個光子就能編碼18個光量子比特，實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，同時有效緩解了因光子數(shù)增加而可能帶來的種種問題。

未來量子計算機可應(yīng)用于需要大規(guī)模計算的科學難題

“量子比特糾纏的數(shù)目越大，可實現(xiàn)的量子計算的能力就越強。”團隊負責人介紹，他們希望通過未來3年到5年努力，在量子計算方面能實現(xiàn)約50個糾纏量子比特的相干操縱，使其計算能力在某些特定問題的求解上，媲美或超越目前最好的經(jīng)典超級計算機。

而根據(jù)理論預(yù)計，量子計算的前景遠不止于此。汪喜林說，借助量子計算的并行性帶來指數(shù)級的加速，將能遠遠超越現(xiàn)有經(jīng)典計算機的速度。當量子計算時代到來時，利用GHz時鐘頻率的量子計算機求解一個億億億變量的線性方程組，將只需要10秒鐘。而現(xiàn)在，即便是用世界上最快的超級計算機也至少需要幾百年。

“如能糾纏操縱100個粒子，在對某些特定問題的求解方面，量子計算的計算能力可達目前全世界計算能力總和的100萬倍。當量子計算機應(yīng)用之時，現(xiàn)在的氣象預(yù)報、藥物設(shè)計等需要大規(guī)模計算的科學難題，將有望迎刃而解。”汪喜林舉例，比如現(xiàn)在的氣象預(yù)報，想要預(yù)報1個月后的天氣可能需要100天的計算時間，但計算上100天之后也就沒了預(yù)報的意義，但將來應(yīng)用了量子計算之后，1個月后的預(yù)報可能幾秒鐘的計算時間就可以完成。