要实现“量子霸权”,纠缠状态准备是关键

要实现“量子霸权”,纠缠状态准备是关键

把“命门”掌握在自己手中

本报记者吴长峰

5光学量子比特纠缠,6光量子比特纠缠,8射线量子比特纠缠,10射线量子比特纠缠,18射线量子比特纠缠......中国科学技术大学教授潘建伟不断刷新世界纠缠光量子比特数的记录。

3月13日下午,潘建伟在北京航空航天大学沙河校区做客,做了题为“新量子革命:从量子物理基础测试到量子信息技术”的演讲。

潘建伟说,可以预期,以量子信息技术为代表的第二次量子化革命将在人类社会的物质文明中取得巨大进步,同时在传统信息时代赋予中国从追随者和模仿者的转变。技术。未来信息技术领导者的绝佳机会。

纠缠是量子科学极其重要的资源

我们今天使用的各种类型的计算机,基本单元是集成晶体管,每个晶体管用于表示0或1信息,并且计算结果通过各种逻辑操作获得。

然而,芯片的集成密度总是有物理限制,特别是对于处理一些特定的复杂问题,例如大量分解。现有计算机处理的时间可能是几十万年。

在中国有一句话叫做“死亡之路”,很难在复杂的迷宫中找到目标。量子计算就像玩一个神秘的迷宫游戏。它可以使用大量的量子比特,同时它可以变形很多化身,在很多很多道路上找到目标,并在很短的时间内完成任务。

“这种能力来自量子叠加原理——量子比特处于0和1的叠加状态。随着比特数的增加,计算能力将呈指数增长!”潘建伟团队研究员刘乃乐告诉“科学日报”记者,对于经典计算机来说,两位只能代表某一时刻00,01,10和11四种可能性中的一种。在量子计算中,两个位单元可以同时保存四个值:00,01,10和11。

“也就是说,我们可以同时操纵2个N次幂值,这取决于量子纠缠。”刘乃乐解释说。

据估计,当纠缠态的量子比特数达到约50时,量子计算机可以使任何经典计算机在某些任务上无法实现,即所谓的“量子霸权”。

除了量子计算之外,纠缠也是量子科学其他领域的极其重要的资源。例如,量子安全通信和量子隐形传态是通过纠缠实现量子态传输。 “通过对纠缠粒子的操纵,可以实现量子世界的神奇和美丽。”刘乃乐说。

增加量子比特数,运用更多“自由度”

“多量子位的相干操作和纠缠态的准备是量子计算的核心指标。”刘乃乐告诉记者,由于各种技术限制,无论采用何种粒子系统,纠缠粒子的控制和测量都是没有想象的。这很简单。对于光子系统,最大的困难来自效率问题。当操纵多个光子时,每单位时间同时产生多个光子的概率是不可接受的低。

如果操纵多个光子是不现实的,那么在操纵相对少量的光子时,你能产生尽可能多的纠缠吗?

科学家们提出了一种使用——来使用多个光子自由度的方法。当你向陌生人描述某人时,你可以告诉他某人的身高,体重,肤色,年龄......这些不同维度的信息就是自由度。

“光子的情况也是如此。光子的波长,极化,轨道角动量和空间路径都是不同的维度,可以用来编码量子比特。”刘乃乐说,尽可能使用其他光子自由度。控制它们形成量子比特并保持纠缠。

2015年,潘建伟实现了由偏振和轨道角动量编码的单光子的多自由度量传送。具有多个自由度的量子隐形传动从“1”到“2”的突破使人们看到了新的希望。随着这一突破,操纵多个光子和多个自由度以实现所谓的“超级纠缠”的蓝图在科学家的思想中逐渐变得清晰。

然而,三个自由度的超级纠缠在技术上是一个巨大的挑战。最大的挑战是,当读取其中一个自由度编码信息时,它不能破坏其他自由度编码。

“我们选择6个偏振光轨,轨道角动量和空间路径3个自由度来编码18个量子比特。也就是说,六个光子的三个自由度形成一个超纠缠态,可以编码18个量子。 “刘乃乐说,最困难的部分是量子比特的测量和纠缠的验证。——必须巧妙地构建实验,以便测量光子的每个自由度不会影响其他未测量的自由度。

“这更难以做到的是轨道角动量测量。”刘乃乐说,这次科学家想到了一种非常巧妙的曲线战术,利用一系列光学装置将轨道角动量信息转换成极化信息,然后进行测量,这样就很容易读出结果。

最后,对于每个携带3个自由度的单个光子,可以读取八个可能的结果。实验数据显示信噪比约为4.4,保真度为0.708±0.016。 “只要保真度超过0.5的阈值,就可以说实现了真正的多粒子纠缠,因此这种保真度清楚地证明了统计意义上的超纠缠。”刘乃乐说。

量子计算曙光初现

“量子计算机是真正意义上的并行计算机。”刘乃乐说,如果一台经典的计算机就像一台乐器,那么量子计算机就像一个交响乐团,一个操作可以处理许多不同的情况。 50个光子纠缠可以使量子计算机的计算能力超过天河二号。

“这一次,我们使用了所有三个自由度来创建一个18位超纠缠效率,比单自由度18光子超纠缠态高出约13个数量级!”通过这次探索,科学家们更加自信不同自由度纠缠的法宝进一步应用于大规模,高效率的量子信息技术,探索前所未有的量子之谜。

“量子比特纠缠的数量越多,可实现的量子计算能力越强。”刘乃乐说,他们希望通过未来三到五年的努力,在量子计算中实现约50个纠缠量子位。为了使其计算能力解决某些问题的问题,可以媲美或超越目前最好的经典超级计算机,实现“量子霸权”。

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