《自然物理》：潘建偉小組成功實現六光子薛定諤貓態

中國科大微尺度物質科學國家實驗室潘建偉和他的同事楊濤、陸朝陽等，最近通過實驗成功制備出國際上糾纏光子數最多的薛定諤貓態和可以直接用于量子計算的簇態，刷新光子糾纏和量子計算領域的兩項世界記錄。該項研究成果以封面標題的形式發表在最新一期英國《自然》雜志的子刊《自然-物理》上。審稿人評價其是“光學量子計算領域至今最先進的實驗工作”和“一個出色的成就，為量子計算、量子糾錯和量子力學基本問題的研究鋪平了道路。”
 
量子糾纏是量子物理世界里面特有的奇異現象。這不僅是量子力學的基礎，同時也是量子信息處理中的核心技術。研究發現，多粒子糾纏是研制具有超級計算能力的量子計算機的必備條件，因此，在很大程度上，一個國家多粒子糾纏操縱的發展水平就代表了其駕馭量子計算的能力。
 
貓態的概念，來自量子力學的奠基人之一薛定諤在1935年提出的一個著名的佯謬，即箱子里面的一只貓不是死的也不是活的，而是同時處于死和活的狀態。盡管這種薛定諤貓態在宏觀世界是不存在的，然而在微觀世界里科學家們可以用光子或者原子來制造這樣一種貓態。而簇態是近年來新發現的一種比貓態糾纏更加緊密的糾纏態，這種獨特的性質使它成為單向量子計算機的物理載體。
 
潘建偉等通過對多光子操縱技術的進一步發展，實現了由六個光子極化狀態相干疊加形成的薛定諤貓態，并在同一裝置上實現了可以直接用于量子計算的六光子簇態。這一成果表明，我國在多粒子糾纏研究領域再次成功超越美國、德國和奧地利等發達國家，保持了國際領先水平。
 
潘建偉等的這一工作，引起了國際學術界的廣泛關注。論文發表后，歐洲物理學會的新聞網站以“光子薛定諤貓打破記錄”為題具體報道了這一工作，稱贊該工作“為量子計算機的物理實現邁進了重要一步”。同時，《自然》雜志在“研究亮點”欄目以“活貓？還是死貓？”為題報道了這一國際上糾纏光子數最多的薛定諤貓態。此外，歐美多家知名新聞網站和廣播電臺也對這個工作做了報道。
 
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量子計算機：與經典計算機相比，量子計算機最重要的優越性體現在量子并行計算上。經典計算機只存在指數算法的問題，量子計算機卻存在量子多項式算法，這是對經典計算極大的擴充，使經典計算成了一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算。當所有這些經典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出輸出結果，這種計算就稱為量子并行計算。并行處理大大提高量子計算機的效率，使其可以完成經典計算機無法完成的工作。舉一個例子來說明。比如，分解一個有400個數字的合數是解碼史上的一項壯舉，即使用現存最快的超級計算機計算也需要幾百萬年的時間。但是用量子計算機完成這項任務可能只需要一年左右，因此使用量子計算機可以破解現在使用的最復雜的加密算法。