量子信息科學在中國科學技術大學的興起和發展

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文標簽:量子論文
論文作者: 郭光燦
上傳時間:2008/11/14 9:12:00


摘 要文章介紹了中国科學技術大學的量子信息科學研究是如何興起和發展的;著重介紹了在量子信息的基礎理論、量子密碼、量子糾纏、量子隱形傳態、量子處理器和量子信息的應用等方面所取得的研究成果.
關鍵詞量子信息,量子糾纏,量子通信,量子計算  
  
  1 引 言
  
  上世紀80年代,正當電子计算機按每18個月運行速度翻一番的摩爾定律而蓬勃發展之際,物理學家就杞人憂天地問:摩爾定律是否會終結?他們的研究結論是:摩爾定律必然會失效,而量子計算机可望成為後摩爾時代的新型计算工具.當時信息领域的科學家們對此並不予理會和關註,因為其时摩爾定律正處於輝煌的頂盛時期.然而,物理學家們仍然孜孜不倦地努力,終於誕生了量子信息這门新興交叉學科.
  1994年,Shor提出量子並行算法[1],並證明可用來实現大數因子分解,從而轻易地攻破目前廣泛使用的RSA公開密碼體系,這門新興學科的巨大威力震驚了整個國際學術界,並引起政界、軍界和商界的極大關註,從此量子信息科學便迎來迅猛发展的新時期,迄今方興未艾!
  我們在上世紀90年代量子信息剛剛在國際上悄然興起之際就投入到這個新興領域的研究行列之中,並於1997年和1998年先后在《Phys.Rev.Lett.》上提出“量子避錯編碼原理”和“量子概率克隆原理”,引起國際學術界的高度重視.1999年,中國科學院开始在我校創建國內第一個從事量子信息研究的量子信息重點實验室,這個極富有前瞻性的戰略部署開辟了我校量子信息研究的新局面.在此之前,自我回國歸來所組建的研究小組只有一台電腦,我們坐著冷板凳,默默耕耘了15年之久.2001年作為首席科學家單位,我校承擔了科技部“國家重點基础研究發展計劃”項目(“973”項目):“量子通信與量子信息技術”,這個由國內17個單位50多位學術骨幹組成的研究团隊不僅取得一系列重要成果,而且培養出許多傑出的年青學術骨干,在其後國家重點基礎研究計劃“量子調控”的實施中由此研究團隊衍生出5位首席科學家.
  本世紀初,我校以中國科學院百人計劃從奧地利引進傑出的年青學術带頭人潘建偉博士,他隨後在“合肥微尺度國家實驗室”建立“量子物理與信息”研究組,並在多光子糾纏方面不斷地做出國際领先水平的成果.該研究組與中國科學院量子信息重點實驗室共同推進了我國量子信息學科的發展,也成為我校物理學科中特色鮮明成果豐硕的新成長點.本文將簡要介紹我校在量子信息領域中已取得的主要研究成果.
  
  2 首個量子信息領域的國家獎
  
  2.1 提出能有效抑制環境噪聲的量子避錯編碼原理[2]
  量子相幹性在環境作用下會不可避免地消失,這種消相幹效应是量子計算機和量子信息系統實际應用的主要障礙.量子編碼是有效克服消相幹的有效途徑.國際學术界提出基於獨立消相干的量子糾錯編碼.我們發現在集体消相幹過程中存在有不会發生消相幹的“相幹保持態”(又称“無消相幹子空間”,DFS),並基於此發現提出量子避錯編碼原理,成為迄今三種不同原理的量子編碼之一.美國著名的Los Alamos和NIST實驗室的三個研究組分別在光子、離子和原子核体系中證實了這個編碼的正確性,三个實驗均發表在《Science》上[3],我們的論文作為原始性工作被引用.
  
  2.2 提出能有效提取量子信息的概率克隆原理[4]
  量子不可克隆定理為量子信息提取設置了不可逾越的障礙,於是學術界提出不精確克隆的量子普適克隆原理,其克隆效率為1,但保真度總是小於1.我們提出概率量子克隆原理,可以某種概率精確克隆量子信息,即克隆效率總小於1,但保真度為1.國際學術界稱之為“段-郭量子克隆機”,最大克隆效率稱為“段-郭界限”.我們還在實驗上研制成功這两類量子克隆機,驗證了理論預言的正確性[5],被国際學術界譽為“本領域最激動人心的最新進展之一”[6].
  
  2.3 提出能有效抑制腔損耗影響的腔量子電動力學(QED)量子處理器新方案[7]
  腔QED是種理想的量子處理器,但腔的損耗引起量子信息的泄漏阻礙其實際运行,為此要求腔的Q值要很高,現有的技術難以達到.我们提出一種能抑制腔損耗影響的新方案,並證明現有技術可以實現.法國巴黎高師的著名學者、法兰西院士Haroche研究組很快在實驗上證實這個方案的正確性[8].我們的論文成為该研究方向後續工作必引用原始的論文,迄今已被SCI他引260余次.
  2003年上述成果以“量子信息技術的基礎研究”為題目榮獲了国家自然科學二等獎.
  
  3 量子密码
  
  3.1 實現從北京到天津125km商用光纖的量子密鑰分配[9]
  量子密碼是量子信息領域中最可能得到實際應用的技術.美國人將“量子加密”稱為“改變人類未來”的新技術.量子密碼原理已在實驗室內演示成功.目前國際學术界正在研究走向實用進程中的關鍵科學和技術問題.光纖量子密鑰分配研究中最关鍵的問題是:現在廣泛研制的不等臂MZ幹涉儀雖然安全但穩定性很差,無法在商用光纤上運行,而改進後的返回式光學系统雖然解決了穩定性問題,但其安全性卻出現了漏洞.我們解決了這個穩定性和安全性統一的难題.在實驗上研究了光纖系統不穩定性的物理根源,在理論上給出穩定性條件,進而設計出滿足穩定性條件的迈克遜-法拉第幹涉儀,在實驗室內實現150km的量子密鑰分配,在北京與天津之間的125km商用光纖上實現了量子密鑰分配和加密圖像傳送.這是迄今國際上報道的最遠距離實用光纖量子密鑰分配.
  3.2 局域量子保密通信網在北京测試成功
  我們利用自己發明的量子網絡路由器和單向傳輸、抗幹擾的F-M量子密鑰分配系统,於2007年3月份在北京完成了國際上第一個多(4個)節點、無中轉、可同時、任意互通的量子保密通信網的測試性運行,取得了很好的通信效果.這次測試是在中國網通公司的商用通信光纖線路上實现的,節點間距離分別為43,32,40,32km,對應的誤碼率碼率分別為7.7%,4.1%,6.6%,2.4%.測试顯示,系統在沒有人為幹預的条件下,可以長期穩定運行.
    3.3 無共享參考系的量子通信的實驗實現[10]
  在1km的光纖中,利用偏振和时間兩個模式均有糾纏的光子對實驗,實現了BB84量子密鑰傳輸的一種更抗幹擾的改良方案.該量子密碼不受光纖扭曲、旋轉或者光纖本身缺陷的影響,通信雙方也不需要精確的同步時間,從而大大降低了通信的復雜度.无論外部環境如何變化,光纖通信雙方總有辦法取得需要的密碼.此外,我們還給出了量子通信方案的絕對安全的理論論證,避免了現有光纖量子通信的安全性隱患.《Phys. Rev. Lett.》審稿人認為,該成果是“非常出色的”,“具有特殊的價值”.
  
  4 量子糾纏源的制備和操控
  
  量子糾纏是量子信息領域中最重要的資源.当兩個或多個粒子處于糾纏態時,對其中的一個粒子进行操作,其他的糾纏粒子不管位於何處,其量子態會立即發生相應的變化.因此,彼此糾纏的粒子之間便由這種基於量子非局域性的內稟通道構成一個量子網絡,它可以實現量子通信(即傳送量子信息),也可以实施分布式的量子計算.自從量子信息作為新興學科誕生以來,量子糾纏便成为國際學術界研究的焦點.我校研制成功高亮度的光子糾缠源:連續糾纏光子源,每秒12.8對,對比度為95%;脈冲糾纏光子源,每秒1.4萬對,對比度87%,在國際上處於領先水平.
  
  4.1 量子信息傳輸的奇特現象
  兩個糾纏的光子構成一條量子通道,通過對各個光子的操作,可實現許多新奇的信息傳輸功能.1997年,在實驗上實現了所謂“量子隱形传態”,即將未知量子信息傳送到遠處的糾纏光子上而原先攜帶該量子信息的物理載體却留在原處不被傳送.我們進一步研究了量子信息傳輸的許多有趣現象:(1)在實驗上實現了單光子量子態的遠程操縱,即局域地操作其中一個糾纏光子,可將遠處的另一個糾纏光子制備在任意態上[11];(2)局域地對一個糾纏光子实施任意相位旋轉操作,可將这個操作傳送到遠處,旋加在另一個光子態上[12];(3)在實驗上演示了當糾纏通道被損壞时,可通過單光子局域操作來實現糾纏純化,而不必通过非局域的操作[13].
  
  4.2 多光子物理學的研究進展[14]
  多光子量子態具有許多重要性质,例如N個光子態的幹涉所呈現的德布羅意波長減少到1/N,這可使相位测量達到海森伯極限的精度,用於光學刻蝕,其精度可提高到1/N.光子數越來越多的量子態,蘊含著越豐富的量子現象,但制備也更為困難.我們在理論上提出一種所谓“NOON態投影測量方法”,可用來制備和識別多光子量子態,在實驗上演示了四光子和六光子德布羅意波長,並將著名的两光子洪-區-曼德爾(Hong-Qu-Mandel)幹涉推廣到多光子场合,在實驗上證實了这種方法是多光子物理中重要而有效的實驗方法.
  
  4.3 五光子糾纏態的实驗實現[15]
  首次在實驗上實現了五光子糾缠態,並演示利用這個糾纏態可實現終端開放的量子隱形傳态,即未知量子態被隱形傳到終端的三個光子糾纏態上,然而按照三個粒子的合作可被制備在其中任一個粒子上.利用這個五光子糾纏態,在實驗上還演示了量子糾纏濃縮和糾纏交换,為量子中繼的實現研究邁开重要一步.
  4.4 六光子圖态糾纏的實驗實現[16]
  該工作通過對多光子操纵技術的進一步發展,從實驗上實现了基於光子比特“焊接”技術的量子計算機測試平台,成功地制備出國際上糾纏光子數量多的薛定諤貓態和可以直接用於量子計算的簇態.該項成果以封面標題形式發表在2007年2月1日出版的英國《Nature》雜誌子刊《Nature Physics》上,審稿人評價其是“光學量子計算領域至今最先進實驗工作”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”.歐洲物理學會稱贊該工作“為量子計算機的物理實現邁進了重要一步”. 
  
  5 量子隱形傳態的研究进展
  
  5.1 兩個量子位復合系统量子量子態隱形傳输的實驗實現[17]
  在國際上首次成功地實現了復合系統量子態隱形傳輸,首次成功地實現了六光子糾缠態的操縱,這為實用化的量子信息研究開創了新起點.對於容錯量子計算、量子中继、普適量子糾錯等重要研究方向具有極其深遠的影响,《Nature》網站專門發布了“Press releases”,並在《Nature》雜誌“研究亮點”欄目中對該工作進行專門報導,稱贊该實驗成果是在“在大尺度量子通信研究中取得長足進展”.該工作入選“2006年度中國十大科技進展新聞”.
  
  5.2 利用光子和原子量子比特的內嵌存儲的量子隐形傳輸的實驗實現[18]
  内嵌存儲的量子比特隱形傳輸是實現大尺度量子通信以及基於测量的量子計算的關鍵.盡管量子態的隱形傳輸以及量子比特的存儲已經在原則上被证明,然而實現內嵌存儲的量子比特的隱形傳態在實驗上仍舊很困難.
  首次通過將光量子比特的態隱形傳輸至原子的比特上,從實驗上實現了內嵌存儲的量子比特隱形傳輸,在實驗中,一個未知的極化光子態通過7m的距離隱形傳輸至一個原子比特,並成功地存储了8μs,該原子態可以被轉換成光量子態,以用於進一步的量子信息處理.從光子態到原子態的隱形傳输並且內嵌了可讀存儲的實現,使得有效的、可升級的量子網絡有望在不久的將來被實現.
  
  6 量子信息處理器的研究進展
  
  量子計算的最終实現取決於能否研制成功物理上可扩展的量子信息處理器,用它來有效地存儲和處理量子信息.目前的研究水平離此目标還相差甚遠,但科學家滿怀著堅定信心正在向著這個目標步步逼進.我們在基於固态物理、量子光學和核磁共振量子計算物理實现的基礎研究方面取得一系列理論和實驗的重要進展.
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  6.1 在理論上提出一種基於腔QED的新型量子信息處理器方案[19]
  通過對腔的泄漏光子進行單光子探測,來實現不同腔中原子之間的糾纏,该方案具有制備效率高、抗噪能力強、易於尋址等優點.《Phys.Rev.Lett.》的審稿人贊道:“在尋求隨心所欲的產生量子態的方案中,這可能是一篇裏程碑的文章”.另外,利用高Q腔單個原子與腔外部单個原子的相互作用,設計了一种可行性很強的基於光子的量子計算方案,它以原子作为中介來實現光子與光子之間的受控相位門操作,该方案按目前的技術水平和抗噪能力是可以實現的,學術界對此予以很高評價.
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  6.2 提出固態容錯量子計算新方案[20]
  固态量子計算被國際學术界認為是最有希望研究成功的途徑之一,固態中量子比特之間的固有耦合是其易於擴展集成的優勢根源,但在量子计算過程中往往要求斷開量子比特間的這種固有耦合,這是固態量子計算遇到的新難題.我們提出“無相互作用子空間(IFS)”的新概念,利用編码方法可以實現邏輯比特之間的消耦合,同時證實,在實際固態模型中實施邏輯比特的任意操作和受控操作是可行的.進一步,將學術界業已认可的無消相幹子空間(DFS)與IFS相結合,提出固態容錯量子計算新方案,並在實際的固態模型中證明了其可行性.這開辟了固態量子計算的新研究方向.
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  6.3 实驗上實現量子受控非門的隱形传送[21]
  基於量子光學系統的量子計算物理實現是另一種有希望途徑,其優點是量子相幹性好.但這類方案的不足之處是物理可擴展性差.分布量子計算方案是克服這個缺點的有效方法,即以只含少數量子比特的系統作為節點,采用糾纏通道將這些節點連成量子網絡,便可實現量子計算.該方案的可行性取決於在相距甚遠的節點之間能否實现兩比特的量子受控門操作這一關鍵問題.特別是,在光子与節點量子比特之間非强耦合的條件下能否實現確定性的受控非門操作更是至關重要的問題.我们運用糾纏光子對在實驗上將某個節点的兩比特受控門操作經由糾纏量子通道隐形傳送到遠處的另一個节點上,實現了兩個節點之间的確定性受控門操作,這個操作的平均保真度達到0.84.《Phys.Rev.Lett.》的審稿人認為“這是向分布量子計算的實現邁出的重要一步”.
6.4 實驗上實现獨立光子間的量子邏輯門[22]
  光子之間的相互作用非常微弱,在實驗上要實現兩個獨立光子之間的受控非門操作是相當困難的.利用五光子糾纏技術,首次实現了非破壞性可升級的獨立光子之間的量子逻輯門,這是線性光學量子計算研究中最基本和重要的一步.作為這種量子邏輯門的一個重要應用例子,還進一步在实驗上用它來實現完全的量子隐形傳態.
  6.5 混合態量子几何相的實驗研究[23]
  幾何相是量子理論的重要概念,但什麽是量子混態的几何相卻尚未搞清楚.我們利用核磁共振(NMR)實驗技術完成具備不同噪聲的量子混態的制備,觀測到了任意量子態的幾何相.該工作受到國际學術界的高度關註.
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  6.6 利用光子比特實現Shor量子分解算法[24]
  我們在國際上首次用光子比特設計了一套線性光學網络,實驗演示了15=3×5這个質數因子分解,並且確認了量子計算中多體純糾纏的存在,驗证了量子加速的根源問題.該工作獲得了國際學術界的關註和認可.麻省理工學院教授Seth Lloyd評價該實驗是“邁向光學量子計算的必要一步”.美國物理學會以“量子計算的重大突破”為題發布新聞稿,稱贊“這一富有創造性的工作將有助於進一步應用於物理化學建模和超快搜索”.英國科技新聞雜志《New Scientist》以《量子計算威脅我們的機密數據》为題對實驗做了長篇報道,稱“出現能運行Shor算法的量子計算機具有極為深遠的意义:這意味著未來量子計算機能夠輕松地破解我們銀行帳号,商業和電子商務數據使用的密碼.”此外,美國的《Science News》、德國的《Innovations Report》等其他多家科學期刊和網站也紛纷報道了該工作.
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  6.7 首次證明“量子開關”可被局域识別,為量子信息處理提供了一個實用方法[25]
  此前,物理學家們證明了量子門操作可以被準確地識别,但該方法需要量子糾缠作為基本資源,而量子糾纏在現階段實驗中獲取、保存與传輸都有很大難度,因此实驗實現的難度巨大.
  我們利用幺正變換的基本性质,證明了量子門的識別過程中可以不需要耗費糾纏資源,仅使用局部操作和傳統手段就可以完成識別功能,這一成果为量子信息處理過程的量子門操作識別和量子通信信通的識别提供的一個很好的工具.审稿人評價“對我們理解量子操作具有重要貢獻”.
  
  7 量子信息應用研究的進展
  
  7.1 利用纠纏光子對在實驗上檢驗了Kochen-Specker理論[26]
  在量子物理學中,隱變量理論一直在挑戰著量子力學的完備性.Bell不等式在實驗上的違背證實了這種隱變量是不存在的,量子力學是完備的.但這個結论僅適合於類空事件的場合.Kochen-Specker理論更深刻揭示出與環境无關的隱變量(NCHV)與量子力學的不相容性,但以往只有兩個對NCHV進行統計性檢驗的實驗.我們完成了一個“全有或全無”類型的對NCHV的非統計性的實驗检驗,實驗結果有力地說明了量子力學的正確性.
  
  7.2 首次利用核磁共振實現了量子博弈實驗[27]
  实驗上驗證了在量子博弈中,如果兩個參與人都選擇了量子策略,他們將獲得雙贏的结果,而在經典博弈中,任何一個理性的參與人都不可能獲勝.這個有趣的研究成果,在國際學術媒體中引起廣泛的興趣,美國和英國物理學會發表了許多報道和評價.
  
  7.3 實驗上實現高精度量子相位測量[28]
  應用雙模光子數態和自己獨創的多光子投影测量方法,實驗測得的相位精度超過相應的標準量子極限.該方法最有希望逼近海森伯極限.著名的美國物理學科網站以《測量精度沖破了標準量子極限》為題做了專文報道.
  
  7.4 实驗上研制成功“量子賭博機”[29]
  這是宏觀上展示量子力學反常行為的奇妙機器,其功能可抑制“庄家”的欺騙,在未來的量子信息產業中可能成為一種必備的商用機器.該文章發表後,《Nature》在其“研究亮點”欄目專文中作了報導,美國物理學科網站也以《物理學家建立量子賭博機》為題予以長篇報道.
  
  8 結束語
  
  量子信息技術已经成為各國戰略競爭的焦点之一,我們有幸在起跑線上加入到這場關系到國家重大利益的競爭之中,就必須義無反顧地擔負起這份歷史責任,在這個新興領域中為我國爭得重要的一席之地.面對著這個巨大的挑戰和難得的機遇,我們將以量子通信網絡和量子計算機為研究目標,艱苦奮鬥,永不放棄.雄關漫道真如铁,無限風光在險峰!
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