清华大学突破纪录：首次实现25个量子接口间量子纠缠

源自：澎湃新闻

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源自：清华大学交叉信息学院

　　4月20日，清华大学交叉信息研究院段路明教授研究组在《科学》期刊子刊《科学·进展》（Science Advances）上发表了题为“25个可独立操控的量子接口之间纠缠的实验实现”（“Experimental entanglement of 25 individually accessible atomic quantum interfaces”的研究论文。该项研究首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠，相比于先前加州理工学院研究组保持的4个量子接口之间纠缠的世界纪录在接口数量上提高了约6倍。

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二维原子系综量子接口阵列之间产生和验证量子纠缠的实验装置图
　　量子接口（Quantum interfaces）用于实现量子信息在光子和存储粒子（通常为原子）之间的相干转化，是连接量子存储器或量子计算单元与光量子通信通道间的重要界面。类似于广泛应用经典接口，量子接口是量子信息领域的基本元器件，实现量子接口之间的纠缠是构建量子网络和未来量子互联网的一个基本要求。在量子信息科学中，光子拥有最快的传输速度，是传播量子信息的最佳载体，而原子拥有很长的量子相干时间，被广泛用于量子信息的存储。量子接口将光子和存储原子连接起来，实现量子信息在不同载体间的高效相互转换。

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25个原子系综量子接口阵列中量子纠缠的验证
　　2001年，段路明与合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中继方案，建议用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口。得益于众多原子和光模式之间的集体增强效应，基于原子系综的DLCZ方案是量子接口的一个理想选择，在量子信息领域影响很大，国际上多个研究组致力于实现DLCZ型量子接口及其相互间的量子纠缠。加州理工学院的著名量子信息和量子光学专家金布尔（Kimble）研究组曾于2010年实现了4个DLCZ型量子接口之间的纠缠，代表此前的国际最高水平。
　　为了实现更多量子接口间的纠缠，构造更大的量子纠缠网络，段路明研究组研发了新颖的二维量子接口阵列，解决了相关技术问题，可以方便地实现多个量子接口间的纠缠。研究人员通过光束复分技术，独立寻址并相干调控5×5的量子接口阵列，制备了多体量子纠缠态。在25个量子接口之间，实验利用纠缠判据以高置信度证明至少存在22体以上的真实纠缠，刷新了量子接口纠缠数量的世界记录。
　　《科学·进展》审稿人对该工作给予很高的评价，认为：“这是一个创纪录的纠缠个数，也是构建第一个量子网络过程中的一个重要的里程碑。”
　　论文第一作者为清华大学交叉信息研究院博士研究生濮云飞，通讯作者为段路明教授，其他作者包括交叉信息研究院博士研究生蒋楠、常炜、李畅，张胜以及美国密西根大学博士研究生吴宇恺。项目得到教育部、科技部以及清华大学的经费支持。
　　（原题：清华交叉信息院段路明研究组首次实现25个量子接口间的量子纠缠）

源自：新京报

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　　薛定谔的猫、爱因斯坦和波尔的辩论……100多年前科学家把量子力学带进大众视野，从此对于量子力学的探索就伴随着人类社会的每一步。近年来，量子计算机、量子互联网，这些词汇越来越频繁地出现在媒体头条，“量子”时代似乎未来可期。
　　近日，清华大学段路明教授研究组在量子信息领域取得重要进展，首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠，打破了先前加州理工学院研究组4个量子接口之间纠缠的世界纪录。

纠缠的量子接口数破世界纪录
　　量子、接口、纠缠，这一个个词汇看起来和我们的生活不沾边，不过把视角从大变小会容易很多。日常生活中我们的手机有天线接口，电脑有网线接口，接口是信息传递的一个通道。段路明团队做的就是量子世界里的接口。
　　量子接口用于实现量子信息在传递粒子（光子）和存储粒子（通常为原子）之间的相干转化，是连接量子存储器或量子计算单元与光量子通信通道间的重要界面。类似于手机、电脑网口、USB这些接口在经典信息的广泛应用，量子接口也是量子信息领域的一个基本元器件。
　　2010年，加州理工学院研究组实现了4个量子接口之间的纠缠，代表此前的国际纪录。此次，清华大学段路明团队首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠，把世界纪录提高了约6倍。
　　25个接口意味着，接口更多了，能把大家有效地连接起来。就像是在互联网里，用户更多了，把不同的内容都能包容进去了，为量子互联网构建的“万里长征”又往前走了一步。
　　据段路明教授介绍，量子接口是一个构件，是量子信息领域的一个基本元器件，量子接口要把存储信息的粒子（原子）跟通信的粒子（光子）做有效的量子连接，即产生纠缠。要保证量子接口有效，首先要保证不同类型粒子可以互相纠缠在一起。有纠缠就可以做到量子信息的传播，增加接口就会扩大量子网络的规模。实现量子接口之间的纠缠是构建量子网络和未来量子互联网的一个基本要求。

量子纠缠须纯净可控如“心心相印”
　　增加量子接口说到底还是要实现量子纠缠，为量子信息发展再推动一步。
　　那科学家想要实现的量子纠缠是什么呢？量子世界有两个重要特性：量子叠加和量子纠缠。
　　量子纠缠通俗理解常常被比喻为“远程心灵感应”，爱因斯坦也称其为“鬼魅般超距作用”。也就是说，两个量子纠缠，量子A状态改变可以对量子B产生影响，就像有心灵感应一样。
　　有这样属性的量子纠缠，是信息传递、信息保密的最重要的基本资源，是实现量子通信和量子计算机的基石。但有效的量子纠缠并不是那么容易做到的，有效的量子信息传播需要高纯度的纠缠状态。“我们需要的纠缠是很纯净可控的纠缠，就像是两个人之间心心相印。”段路明说。
　　看起来似乎“遥不可及”的量子互联网、量子计算机为何吸引了诸多科学家的目光？
　　量子计算机将突破经典计算机的瓶颈。经典的计算机中，只有0和1，每个比特都是这两种状态，但量子可以处在0和1的叠加状态，那么这样操纵的量子比特数目增多，对于某些问题，它就可以通过量子并行计算，以指数增长的形式来提升它的运算速度。

■　对话
清华大学教授段路明：
最终目标是未来的量子互联网技术
新京报：量子接口具体是指什么？
段路明
　　量子接口用于信息连接，把不同的量子媒介，通过量子通信通道连接起来，这是一个基本的元器件。
　　所有信息装备都需要接口，例如手机天线接口、网线接口等，我们在量子网络里也需要接口。把量子的信息（也就是微观粒子状态的信息）从一种介质，例如量子存储器，通过接口传输到通信的量子比特上。
　　通信的比特我们通常用的是光子，因为在所有的信息载体里，光子跑得最快，最适合做通信的工具。
　　量子接口要把存储的粒子和通信的粒子做有效的量子连接，怎么证明接口有量子性，一种方式就是把量子接口互相纠缠在一起，我们做的就是多个量子接口的量子纠缠，在25个量子接口之间实现量子纠缠。

新京报：25个量子接口之间的量子纠缠，把世界纪录提高了6倍，是如何做到的？
段路明
　　我们的实验思路不同，之前那种方法已经基本到了极限，按照原来那种方法突破比较困难。我们换了一个思路，之前加州理工学院做的是4个接口，是单线排列的。我们用了二维平面的接口阵列，用一种可编程的方式，来控制5×5的量子接口阵列，以实现纠缠。

新京报：增加量子接口间的量子纠缠难点在哪？
段路明
　　随着量子接口数量增加，实现纯净可控的量子纠缠就很困难。

新京报：可控的量子纠缠是指？
段路明
　　量子纠缠是我们日常一个很难理解的概念，但在量子信息中是一个很基本的资源，不是很神秘的东西，任何量子粒子通过相互作用都可以产生纠缠，但通常粒子与很多外界的环境粒子纠缠，这种不可控的纠缠导致噪声。我们需要的是很纯净可控的纠缠，就像是两个人之间心心相印，建立单线联系。

新京报：未来的应用是什么？
段路明
　　这个技术在量子信息研究中是万里长征的一步，最终的发展目标是未来的量子互联网技术。要实现这个目标需要一些基本元器件，而纠缠的量子接口提供了一个这样的元器件。

■　背景
中国近年量子研究进展
　　近几年，全世界都在对量子领域进行探索，量子通信、量子网络在步步构建。
　　2016年8月，中国自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星“墨子号”升空。“墨子号”的主要应用目标是通过卫星和地面站之间的量子密钥分发，实现星地量子保密通信，并通过卫星中转实现可覆盖全球的量子保密通信。
　　2017年6月，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟等人利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，在空间量子物理研究方面取得重大突破。
　　2017年5月3日，中国科学院在上海召开新闻发布会，宣布世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在我国诞生。“超越早期经典计算机”是什么概念？答案是，比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10-100倍。
　　新京报记者 王俊

源自：新京报

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原文标题：清华量子纠缠实现突破，意味着什么？

　　未来不仅通过量子接口可以实现量子通信和量子互联网的联网，而且通信和网速将极大提高。

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资料图 来自视觉中国
　　近日，清华大学交叉信息研究院段路明教授研究团队宣布其在量子信息领域取得重要进展，首次实现25个量子接口之间的量子纠缠。该成果的研究论文已在4月20日出刊的美国《科学》杂志子刊《科学进展》刊载。

这项成果的发布意味着什么呢？
　　即有了更高效率的量子接口，它用于实现量子信息在传递粒子（光子）和存储粒子（通常为原子）之间相互转化，是连接量子存储器或量子计算单元与光量子通信通道间的重要界面。因此，量子接口也是量子通信（领域）中的一个基本元器件。
　　量子是指能表现出某物质或物理量特性的最小单元。粒子又是指能够以自由状态存在的最小物质组成部分。因此，物理学上把由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象称为量子纠缠。
　　纠缠就是最小的物质，如粒子（光子）、原子之间的接触、叠加、缠绕，也即信息传递和交流，正因为有这样的交流，可以让量子通信、量子计算机、量子互联网得以实现。

瞬时转移有了“接口”
　　量子纠缠需要量子接口，但是首先要保证不同类型的粒子可以互相纠缠在一起，才能进行量子信息的传播，而且量子接口越大，就越能接入更多信息并进行量子交流，从而扩大量子网络的规模。
　　段路明团队通过光束复分技术，通过实验首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠，比此前最高纪录的4个量子接口之间的纠缠提高了约6倍。这也意味着未来不仅通过量子接口可以实现量子通信和量子互联网的联网，而且通信和网速将极大提高。
　　从人类通信史来看，从电话线上网（尽管是宽带）到光纤已经是一个飞跃，速度和流量也只提升数百倍而已。但如果用上量子通信，传输效率就要比5G的光纤信道高出上亿乃至万亿倍。
　　量子通信当然需要介质，光束或光纤就是传递粒子的重要介质，在所有的信息载体里，光子跑得最快，所以光束既是信息载体，又是信息本身。研究表明，高速激光或许是量子通信更好的介质，采用高速激光通信技术可以完成高速数据传输，同时突破高分辨率卫星成像数据传输的有限瓶颈，因而能够形成“瞬时”传输的量子网络。
　　2017年6月，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟等人利用“墨子号”量子科学实验卫星进行实验，在1200千米的通信距离上，以卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300kb的安全密钥，平均成码率可达1.1kb/s。这个技术称为星地双向量子纠缠分发，其传输效率比目前同等距离地面光纤信道高出20个数量级，即提升万亿亿倍。
　　这是一个什么概念呢？大约就是一个人步行到火星与光速到达火星之间的差距。或者说，现在的光纤互联网在1秒内下载一部高清电影，而量子互联网可以在1秒内下载亿万部高清电影。

为量子网络建立前提
　　量子接口不仅要让信息传递快，还要准确。段路明团队研发的量子接口就是要保证对应的粒子进行准确对接。因为，任何量子粒子都可通过相互作用产生纠缠，同时粒子与外界很多环境粒子也会产生纠缠，从而导致噪声产生。
　　在过去，粒子与外界环境粒子产生的纠缠被认为是不可控的，现在有了量子接口，就可以精准对接，形成纯净可控的纠缠，建立量子信号的单线联系，互不干扰。因此，这是量子互联网和量子通信的一个基础。
　　建立量子互联网的另一个基础是构建量子网络。除了利用光束或激光进行量子信息传输外，也有一些科学家在实验建立混合型量子网络。
　　不过，建立纯粹的量子网络具有更充足的理由，因为这是一种保密性更强的互联网。量子通信的特点是，不可分割、复制、测量，因而不易被破译窃听。不可分割使得窃听者无法将量子分割进行测量。即便可以强行测量也会留下痕迹，改变量子的状态，使窃听行为暴露。而且量子本身有不确定性，即便窃听者截取了量子，也不能精准复原正确的量子状态，得到的是错误信息。因此，量子网络可以让用户在安全保密的状态下通信。
　　有了量子网络和连接千家万户的量子接口，量子互联网才能实现。因此，现在的研究为量子通信进一步夯实了基础。