量子之路：从量子隐形传态到光量子计算机
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5月3日，中科院在上海举行新闻发布会，宣布中国学者成功构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生。这一令人振奋的消息来自中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组。其实，这并不是潘教授团队首次闪亮登场，近年来他们都做出了哪些辉煌成绩呢？让我们回顾一下。
双量子隐形传态
“瞬间移动”这个概念由来已久，无论对于科学家还是大众也有着巨大的吸引力。1993年，现实研究终于追赶上科幻概念，一个国际物理学团队从理论上证明了只要被复制的原始态被摧毁，量子态传输是完全可能的。成功传输量子需要精确系统测量，远距离信息传输以及重建一个原始态的完美复制。由于“量子态不可克隆”定理的存在，完美复制量子态是无法实现的，这就需要彻底的粒子传输，也就是说第一个粒子将失去其本来状态。
潘建伟教授
换句话讲，一次成功而完美的传送意味着第一个粒子彻底失去其被转送走的属性。单一自由度量子隐形传态实验于1997年首次实现。自那以后，量子自旋的全部独立状态，以及光场和其他单元都已实现成功传送。但是所有这些实验都仅限于单属性传输，以至于哪怕提升至双属性传输都会被视为盖世功勋。
2015年，潘建伟和陆朝阳研究团队已经实现了将一个量子的自旋 (偏振) 和轨道角动量 (OAM) 同时传输给一定距离以外的另一个量子。传送实验通常需要一个“量子通道”，这实际上是额外的一组“纠缠的”量子——它们的状态彼此相连无法摆脱，所以任何施加给其中一个量子的变化都会即刻影响另一个。在这个实验中，采用了一组“超纠缠”量子，即两个粒子的自旋和轨道角动量是同步纠缠的。
陆朝阳教授
这项成果也荣登《物理世界》(Physics World) 2015年度国际物理学领域的十项重大突破榜首。尽管通过扩展潘的方法来传输两个以上的属性是有可能的，但每个属性的增加都将带来巨大的困难——极限可能是三个属性。要完成这一点将需要在实验中有能力控制10个量子，不过当时的纪录是8个。潘教授曾说：“希望在几个月内可以实现10个量子的纠缠。量子隐形传态已公认是目前远距离量子通讯研究中的关键因素，将决定未来不可破安全系统、超快量子计算机以及量子网络的发展。”
第一颗量子卫星
2016年8月16日，中国量子卫星“墨子”在酒泉卫星发射中心成功发射。作为世界首颗量子科学实验卫星，发射升空之后会进行量子通信实验。未来在轨运行的两年时间里，它将配合地面的五个台站，进行大量工作，并将建立一个极其安全的全球通信网络。
项目的首要任务是在卫星和北京地面站、卫星和维也纳地面站之间建立量子密钥分发 (通过光子的量子属性进行编码和共享的密钥)。然后以卫星为中继设备，看能否在北京和维也纳之间建立量子密钥。
从理论上讲，量子纠缠能够在任何距离间保持。但两个粒子无论距离多远都可以保持纠缠吗？在潘建伟教授看来，怀疑量子力学的人并不太多，但如果探索新的物理内容，就必须做到极致。所以，要看一看是否存在物理极限。人们会问，在经典世界和量子世界之间是否具有某种边界，研究团队则希望构建某种宏观系统，它可以展示量子现象在这种环境下仍然能够存在。
将来，他们还计划在地球和月球之间尝试纠缠密钥分发。并希望通过嫦娥计划将一颗量子卫星发射至地月系统中的引力稳定点 (拉格朗日点)。
第一台光量子计算机
近日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组，在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了两项重大突破性进展。今天，他们在上海宣布，世界首台超越早期经典计算机的量子计算机问世。在光学体系上，研究团队在2016年已实现国际最高水平的十光子纠缠操纵。今年，在这一基础上，又利用我国自主研发的高品质量子点单光子源构建了世界首台在性能上能够超越早期经典计算机的单光子量子计算机。
潘建伟教授在5月3日新闻发布会
量子计算机是指利用量子相干叠加原理，理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。随着可操纵的粒子数的增加，量子计算机的计算能力呈指数增长，可以为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案，具有巨大的发展潜力。一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对一些特定问题的处理能力甚至比超级计算机更强。如果现在经典计算机的速度是自行车，那量子计算机的速度就好比飞机。
潘建伟教授PPT
最新实验测试表明，该原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有类似的实验加快至少24000倍，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。
以前，量子计算速度比经典计算机快还只是停留在理论中，而该台原型机将这一理论变成现实迈出了坚实的第一步，把量子计算机真正推向和经典计算机竞争的擂台。这是历史上第一台超越早期经典计算机量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。
潘建伟教授PPT
在超导体系方面，研究团队自主研发了10比特超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。这一成果打破了美国之前保持的9个量子比特操纵的记录，形成了一个完整的超导计算机的系统，使我国在超导体系量子计算机研究领域也进入世界一流水平行列。根据计划，中国科学技术大学潘建伟教授研究团队将在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵，20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，量子计算机的运算速度将会成指数式增长。
文中内容编译自Physicsworld、《Nature》
部分内容摘自央广网
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