為何“多光子糾纏和干涉度量學”獲國家自然科學一等獎？

　　近日，潘建偉院士帶領的中國科學技術大學團隊的“多光子糾纏和干涉度量學”獲得了2015年度國家自然科學一等獎，是中國自然科學 領域的最高獎項。該團隊也打破了國家自然科學一等獎歷史上最年輕團隊的記錄。五位完成人按獲獎順序依次為潘建偉院士、彭承志教授、陳宇翱教授、陸朝陽教 授、陳增兵教授。其中潘建偉、彭承志、陳增兵三位為“70后”，陳宇翱和陸朝陽為“80后”。

　　與以往的很多國 家自然科學一等獎相比，該團隊在頂級論文數量和國際影響力上都更為出類拔萃，其成果3次入選美國物理學會（AmericanPhysical Society）評選的“年度物理學重大事件”（The Top Physics Storiesof the year），2次入選英國物理學會（Institute of Physics）評選的“年度物理學重大進展”（Highlights of the year），最近被英國物理學會的Physicsworld網站評選為2015世界物理學十大進展第一名（Breakthroughof the Year）。

　　這次潘建偉院士團隊獲獎的項目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學”，細心的朋友會發現這就是潘建偉 院士2012年在《現代物理評論》（Reviewof Modern Physics）雜志上發表的論文“Multiphoton entanglement andinterferometry”的譯名[1]。《現代物理評論》為物理學領域最頂級的綜述雜志，僅向各個領域世界知名的物理學家約稿來介紹該領域最 新進展。潘院士這篇綜述也是中國科學家發表在該刊物的第一篇實驗論文。

　　在量子通信和量子計算等多個方向上，潘 建偉團隊都取得了世界領先的科研成果，而“多光子糾纏和干涉度量學”作為核心研究內容之一，貫穿始終。“多光子糾纏”顧名思義就是讓多個光子產生糾纏。這 是利用光子做量子隱形傳態和量子計算的必要前提。

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　　量子力學中“糾纏”指的是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處于某個物理量的疊 加態，可以用一個量子比特來表示:ΦA=a|0>A+b|1>A。另一個粒子B也處于疊加態：ΦB=c|0> B+d|1>B。當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，例如：ΦAB=ad|0>A|1> B+bc|1>A|0>B，就是一個糾纏態：當A粒子處于0態時，B粒子一定處于1態；反之，當A粒子處于1態時，B粒子一 定處于0態。

　　在沒有外界干擾的情況下，無論兩個粒子相隔多遠，糾纏態都可以存在，因此量子糾纏曾經被愛因斯坦 稱為“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)，并以此來質疑量子力學的完備性（因為違反了他提出的“定域性”原理）。但是后來一次次實驗都證實量子力學是對的，非定域的量子糾纏可 以存在，定域性原理必須舍棄。

　　隨著量子信息學的誕生，量子糾纏成為了量子通信和量子計算的核心。最新的研究標 明，微觀的量子糾纏和宏觀的熱力學第二定律，甚至是時間之箭的起源都有著密不可分的關系。

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　　針對量子信息處理尤其是光量子計算的需求，糾纏的光子數自然是越多越好。在實驗上，光子糾纏需要對 光子源產生的光子通過各種光學干涉的方法來獲取，這就是“多光子糾纏”和“多光子干涉度量學”成為一個整體課題的原因。產生糾纏的光子數越多，干涉和測量 的系統也就越復雜，實驗難度也就越大。

　　如圖1，一個紫外光脈沖照射BBO晶體可以有一定概率產生一對光子（o 和e），通過在偏振分束器（PBS）上的一次干涉，o光子和e光子都可以形成水平偏振H和豎直偏振V的疊加態，于是o光子和e光子就形成了一個糾纏 態|HH>+|VV>（即o光子是H偏振時，e光子一定也是H偏振，反之o光子是V偏振時，e光子一定也是V偏 振）。

　　圖1，雙光子干涉和糾纏產生的光路示意圖（圖片來自文獻[2]）

　　把 雙光子干涉產生糾纏的方法層層累加，擴展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。潘建偉團隊從2004年開始，一直保持著糾纏光子數的世界紀錄。 2004年在世界上第一個實現了5光子糾纏[3]，2007年在世界上第一個實現了6光子糾纏[4]，2012年在世界上第一個實現了8光子糾纏[2]， 并且保持該記錄至今。

　　圖2是實現8光子糾纏的光路簡圖。由于光子產生和光學干涉測量的概率都是隨著光子數指數 上升，所以每增加一個糾纏光子，光學干涉系統就要復雜一倍，糾纏的產生難度也會隨著光子數指數上升。該團隊通過一個個在國際上原創的多光子干涉測量技術， 經過不懈努力克服各種實驗困難，才能夠多次打破自己保持的世界記錄，并將記錄定格為8個。

　　該團隊以多光子糾纏 技術為基礎，在自由空間量子通信領域實現了世界首個百公里級的量子糾纏分發和量子隱形傳態[5]，在量子計算領域實現了世界上首個光量子Shor算法 [6]和拓撲量子糾錯[7]。

　　圖2 潘建偉團隊實現8光子糾纏的光路示意圖（圖片來自文獻[2]）

　　“多光子糾纏和干涉度量學”獲得國家自然科學一 等獎實至名歸，但這僅僅是潘建偉院士團隊的一部分工作。

　　2016年，該團隊承擔研制的世界首顆“量子科學實驗 衛星”將發射升空，將實現世界首個星地間的量子保密通信和量子隱形傳態。同時，源于該團隊技術的世界首個量子保密通信主干網絡“京滬干線”也即將建 成。

　　在量子計算領域，該團隊和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子計算聯合實驗室”，在保持光量子計算 世界領先地位的同時，將大力推動我國量子計算整體研究水平。有理由期待潘建偉院士的團隊在未來會帶給中國和全世界更多的驚喜。