量子信息实验研究取得重大突破：中国科大首次实现多自由度量子体系隐形传态

2015-03-05

中国科大潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐等组成的研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。2月26日，国际权威学术期刊《自然》杂志以封面标题的形式发表了这一最新研究成果。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，科学家们经过18年努力在量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。

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对单光子自旋和轨道角动量的量子隐形传态过程的图片展示：
具有轨道角动量的光子以螺旋线向前传输；光子携带的自旋角动量由箭头表示

量子隐形传态在概念上非常类似于科幻小说中的“星际旅行”，可以利用量子纠缠把量子态传输到遥远地点，而无需传输载体本身。量子隐形传态作为量子信息处理的基本单元，在量子通信和量子计算网络中发挥着至关重要的作用。1997年，国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证，该工作随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等影响世界的重大科技成果一起入选了《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。

此后，作为国际学术界量子信息实验领域的重要研究热点，量子隐形传态又先后在包括如冷原子、离子阱、超导、量子点和金刚石色芯等诸多物理系统中得以实现。然而，以往所有的实验实现都存在着一个根本的局限，即只能传输单个自由度的量子状态，而真正的量子物理体系自然地拥有多种自由度的性质，即使是一个最简单的基本粒子，如单光子，它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等等。多自由度的量子隐形传态作为发展可拓展量子计算和量子网络技术的必经途径，成为近二十年来量子信息基础研究领域的一个巨大挑战。

在中科院、教育部、科技部和基金委等有关科教主管部门的大力支持下，潘建伟小组面对挑战，选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象，创造性地发展了多项新颖的多粒子多自由度的纠缠操纵技术，巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案。经过多年艰苦努力，研究人员成功制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，成功实现了多自由度量子体系的隐形传态。
　

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欧洲物理学会Physicsworld 头条报道截图

该实验成果得到了《自然》杂志审稿人的高度评价，他们一致称赞该工作“绝对新颖、重要，处于当前量子光学和量子信息领域的最前沿，可以认为是一个伟大的成就”、“在1997年单个自由度量子隐形传态实验实现的18年之后，这个工作从基本概念上将量子隐形传态提升到了一个新的水平”、“非常有趣，意义重大，且具有极其苛刻的技术难度”。由于该成果的重要性，《自然》杂志专门邀请国际知名量子光学专家Wolfgang Tittel教授在同期的“新闻视角”（News and Views）栏目撰文评论：“该实验实现为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步，并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元”。该论文发表后，第一时间受到了美国《科学新闻》（Science News）和欧洲物理学会新闻网站Physics World等多家国际媒体的报道，称“该工作不仅为提升量子力学基础问题的理解迈进了关键一步，也将在未来量子计算机的研制中扮演重要角色”。