刘晓坤参与

潘建伟团队用6个光子实现18个量子比特纠缠,再次刷新世界纪录

潘建伟研究团队再次刷新量子纠缠世界纪录,在国际上首次实现 18 个光量子比特的纠缠,同时也刷新了现有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

据介绍,潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控六个光子的偏振、路径和轨道角动量三个自由度,实现了 18 个光量子比特的纠缠。该成果以「编辑推荐」的形式于 6 月 28 日发表在国际物理学权威期刊《物理评论快报》(PRL)上:

论文地址:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.260502

多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备是发展可扩展量子信息技术,特别是量子计算的最核心指标。量子计算的速度随着实验可操纵的纠缠比特数目的增加而指数级提升。然而,要实现多个量子比特的纠缠,需要进行高精度、高效率的量子态制备和独立量子比特之间相互作用的精确调控。而量子比特数目的增加,使得操纵带来的噪声、串扰和错误也随之增加。利用单个粒子的多个自由度能够更高效拓展量子比特数,在相同量子比特下使用更少的粒子数,进一步增加整个系统的稳定性。

2016 年底,潘建伟团队同时实现了 10 个光子比特和 10 个超导量子比特的纠缠,刷新并一直保持着这两个世界纪录。潘建伟团队在过去 20 年一直在国际上引领着多光子纠缠和干涉度量的发展,并在此基础上开创了光子的多个自由度的调控方法。2015 年,他们首次实现了单光子多自由度的量子隐形传态,相关成果被英国物理学会新闻网站「物理世界」选为「国际物理学年度突破」。此后,他们又开始探索实现多光子三个自由度的联合调控。

在这项研究中,研究组自主研发了高稳定单光子多自由度干涉仪,实现了不同自由度量子态之间的确定性和高效率的相干转换,完成了对 18 个量子比特的 262144 种状态(2 的 18 次方)的同时测量,这表明单个光子的三个自由度可以独立操控,从而可视为三个量子比特。

虽然 IBM、英特尔、谷歌等近期宣布实现了更高数目的量子比特样品的加工,但是这些量子比特并没有形成纠缠态。

参考阅读:

该论文早在 1 月 12 日已经发表在 arXiv 上,以下是简单的编译介绍,感兴趣的读者可以直接查看原文。

论文:18-qubit entanglement with photon』s three degrees of freedom

arXiv 地址:https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1801/1801.04043.pdf

摘要:量子信息科学的核心主题是对量子粒子实现更多粒子数、内部和外部自由度(DoF)的相干操控,同时保证足够高的相干性。通过对每个量子比特进行独立地操控和测量以构建和验证多粒子纠缠是量子技术的重要基准。目前,人们已经实现了 14 个囚禁离子、10 个光子和 10 个超导 qubit 的纠缠。这里,我们通过同时调控六个光子的三个不同自由度(包括路径、偏振和轨道角动量(OAM)),在实验上实现了 18 qubit 的 GHZ 纠缠。我们为光子的不同自由度之间的可逆量子逻辑操控开发了高度稳定的干涉仪,其精度和效率接近于 1,从而可以同时读出 2^18=262144 的 18 qubit 的所有可能量子态。我们测量到了 0.708±0.016 的量子态保真度,证实了 18 qubit 的真实纠缠。

图 1:构建和验证 18 qubit GHZ 态(由六个光子的三个自由度组成)的实验方案和设置。a. 生成六光子的偏振纠缠 GHZ 态。一束中心波长为 788nm、脉冲持续时间为 120fs、重复频率为 76MHz 的超高速激光聚焦于一块三硼酸锂晶体(LBO)上,并上变频到 394nm。紫外激光聚焦于自主设计的三明治形状的非线性晶体上,每块晶体由两个 2mm 厚度的β-硼酸钡(BBO)和一个半波片构成,以生成三对纠缠光子。在每个输出中,两块不同厚度和光轴方向的 YVO4 晶体被用于双折射效应的时间空间补偿。三对纠缠光子在两个偏振分束器(PBS)上组合,以生成六光子偏振纠缠 GHZ 态。b. 每个单光子会穿过两块 PBS 和两块螺旋相位板,以制备成单光子 3 qubit 态。c. 对空间 qubit 的闭合(虚线)或开放(无虚线)干涉测量配置。d. 偏振测量。e. 通过一个交换门相干地将 OAM 转换为偏振的高效率和双通道 OAM 读出。f. 在 b 和 c 中使用的真实设置的照片。通过垂直平移,在闭合和开放之间转换变得很方便。g. 实时监控空间(f)和 OAM(h)测量的可见性。h. 在 e 中使用的真实设置的照片。(DP:鸽子棱镜)

图 2:18 qubit GHZ 纠缠的实验数据。其中 a、b、c、d 分别是 N=1、3、12、18 qubit 的在叠加态基(|0>+e^iθ|1>)/√2 上进行测量的。误差条表示标准差,由实验检测的 N qubit 事件的泊松传播计数统计得到。在 a-c 中,误差条小于数据点。在 e 中,18 qubit 事件在 0/1 测量基上累积 2 小时测量得到,在 512x512=262144 的二维矩阵上展示。

理论潘建伟量子计算
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