昨天，中国科学家又刷新一项世界纪录！
中国科大潘建伟和陆朝阳领衔的团队宣布，成功将量子纠缠的比特数提升到了 18 位。他们以 6 光子系统为基础，利用光子的 3 个自由度，推出了 18 位量子比特的量子纠缠系统。该系统的详细信息由潘建伟团队整理并发表在美国物理学会主办的高水平学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。另外，据中国科大官方透露，该成果从投稿经国际同行评议到被正式接收，只用了三个星期的时间）。
更“可怕”的是，这距离他们上次刷新世界纪录只过去了 1 年半： 2016 年年底，他们同时实现了 10 个光子量子比特和 10 个超导量子比特的纠缠。在一年半的时间内就将量子比特数提升了近两倍，不禁让我们想到半导体界的“摩尔定律”，这也不禁让我们继续期待，那在一年半之后的 2020 年，量子比特数是否又会再次刷新呢？
图丨潘健伟
而在此次的 18 位量子比特量子纠缠系统中，作为一套完备的量子纠缠系统，其主要要有两个方面的创新：一是提升的量子位数，二是成功设计的高效量子纠缠测量系统。
这就好比是信息系统的加密和解码，提升了的量子位数能将传输的信息量大幅提升，18 位的量子比特能够得到 2^18=262144 种不同的量子叠加态组合；高效的量子纠缠测量系统则能提升获取信息的效率和准确率，此次系统的量子态保真度已达 0.708±0.016。这一切都将有利于大规模的量子信息技术的发展。
量子纠缠中，计算和存储的基本单位就是量子比特，就像我们如今用的电子比特一样，以“0”和“1”不同的状态来编码储存信息。但是量子比特的方式不一样，它采取一种叫做“叠加态”的形式来储存信息，它的状态不再是单纯的“0”或者“1”，而是“0”和“1”不同权重的叠加，就像著名的薛定谔的猫一样，可死可活，可不死也可不活。
可以说，增加了量子比特的位数，那就增强了整个系统的计算能力和存储能力。这也是为什么各国的量子科学家都在竞相追逐量子比特位数的原因。
具体而言，此次的 18 位量子比特量子纠缠系统采取 6 光子系统作为基础，利用每个光子的三个自由度：路径（Path）、偏振（Polarization）和轨道角动量（OAM），拓展为 18 位的量子比特，这种方式也被称为“超量子纠缠”。
虽然前人的研究中多是采取增加光子数或者离子数来增加量子比特数，但是利用多个自由度能够更高效提高拓展量子比特数。而且，此举能在相同量子比特下使用更少的粒子（光子）数，从而进一步增加整个系统的稳定性。某些需要大量计算量和存储量的量子信息技术也将受益，例如量子超密编码、简化量子逻辑门技术以及多自由度单光子传输技术等。
上图中的a 到 e ，我们能看到整个 18 位量子比特量子纠缠系统的简化结构图，其中 a 和 b 是量子纠缠的编码部分，cde 是相应的测量部分。
入口处，一束波长为 788nm、脉冲持续时间 120fs、重复频率 76MHz 的超快激光通过三硼酸锂（LBO）的二向色滤光片（Dichroic filter）转换为 394nm 的光。随后这束光继续通过由两个β-硼酸钡（BBO）和一个半波片（HWP）组成三明治式非线性晶体，产生三对纠缠光子，如图 a 中所示的 1-6。
接着，每个光子经过不同厚度和方向的 YVO4晶体进行空间和相位的修正，再依次通过编码偏振的 PBS、编码路径的 PBS（偏振分束器）和编码轨道角动量的 SPP，最终得到的就是拥有三自由度的单光子量子态。
而测量部分就像是编码部分的镜像系统，依次解码就得到了信息。量子纠缠的解码过程其实就好像是你坐在国内的家中，知道了、在大洋彼岸的孙子出生了，但是你的儿子众多，一时之间无法得知是谁生的小孩，那你只能从孙子的照片上找一些蛛丝马迹，推断出整体的信息，例如这原来是小五生的第三个儿子。但是如果隔了 18 代呢？这个推导过程可就长了，获得的信息将会是 2^8=262144 种不同的状态，数据量十分巨大，这也就需要高效且保真度高的测量系统。
此次 18 位量子比特量子纠缠系统采用了共计 48 个单光子探测器，能够同时测量出 262144 种组合，且最终的量子态保真度已达 0.708±0.016。一般认为，多粒子量子纠缠系统中，量子态保真度超越 0.5 就已经足够进行有效量子纠缠了。
一句话，潘建伟团队打造的 18 位量子比特量子纠缠系统既创造了量子比特位数的世界纪录，也开创了采用多粒子多自由度提高量子比特位数的创新思路。
图 | 位于纽约 YorktownHeights 的 Thomas J.Watson 研究中心的 IBM 量子计算中心将量子计算机放在大型低温容器（最右边）中，使其被冷却到接近绝对零度的温度
此次成果在欧美各国都积极整合各方面研究力量和资源，开展国家级的协同攻关的当下，对中国的量子技术发展有着更深层次的意味：欧盟在 2016 年就宣布启动量子技术旗舰项目；而美国国会也在最近正式通过了“国家量子行动计划”；诸如谷歌、微软、IBM 等大型高科技公司也早已强势投入量子计算研究中……而这一次，中国没有落后。正如马里兰大学帕克分校的量子物理学家 Christopher Monroe 说 : “ 一年总会有那么几次，当我读到他们（潘健伟团队）正在做的事情时感到十分震惊。”
参考：
[1]Wang X L, Luo Y H, Huang H L, et al. 18-qubit entanglement with photon's three degrees of freedom[J]. 2018.
[2]Barreiro J T, Langford N K, Peters N A, et al. Generation of hyperentangled photon pairs.[J]. Physical Review Letters, 2005, 95(26):260501.
[3]Gao W B, Lu C Y, Yao X C, et al. Experimental demonstration of a hyper-entangled ten-qubit Schr?dinger cat state[J]. Nature Physics, 2008, 6(5):331-335.
