4月26日，清華大學教授段路明正在實驗室里指導實驗。 清華大學供圖

清華團隊刷新量子接口糾纏數目紀錄

薛定諤的貓、愛因斯坦和波爾的辯論……100多年前科學家把量子力學帶進大眾視野，從此對于量子力學的探索就伴隨著人類社會的每一步。近年來，量子計算機、量子互聯(lián)網，這些詞匯越來越頻繁地出現在媒體頭條，“量子”時代似乎未來可期。

近日，清華大學段路明教授研究組在量子信息領域取得重要進展，首次實現了25個量子接口之間的量子糾纏，打破了先前加州理工學院研究組4個量子接口之間糾纏的世界紀錄。

糾纏的量子接口數破世界紀錄

量子、接口、糾纏，這一個個詞匯看起來和我們的生活不沾邊，不過把視角從大變小會容易很多。日常生活中我們的手機有天線接口，電腦有網線接口，接口是信息傳遞的一個通道。段路明團隊做的就是量子世界里的接口。

量子接口用于實現量子信息在傳遞粒子(光子)和存儲粒子(通常為原子)之間的相干轉化，是連接量子存儲器或量子計算單元與光量子通信通道間的重要界面。類似于手機、電腦網口、USB這些接口在經典信息的廣泛應用，量子接口也是量子信息領域的一個基本元器件。

2010年，加州理工學院研究組實現了4個量子接口之間的糾纏，代表此前的國際紀錄。此次，清華大學段路明團隊首次實現了25個量子接口之間的量子糾纏，把世界紀錄提高了約6倍。

25個接口意味著，接口更多了，能把大家有效地連接起來。就像是在互聯(lián)網里，用戶更多了，把不同的內容都能包容進去了，為量子互聯(lián)網構建的“萬里長征”又往前走了一步。

據段路明教授介紹，量子接口是一個構件，是量子信息領域的一個基本元器件，量子接口要把存儲信息的粒子(原子)跟通信的粒子(光子)做有效的量子連接，即產生糾纏。要保證量子接口有效，首先要保證不同類型粒子可以互相糾纏在一起。有糾纏就可以做到量子信息的傳播，增加接口就會擴大量子網絡的規(guī)模。實現量子接口之間的糾纏是構建量子網絡和未來量子互聯(lián)網的一個基本要求。

量子糾纏須純凈可控如“心心相印”

增加量子接口說到底還是要實現量子糾纏，為量子信息發(fā)展再推動一步。

那科學家想要實現的量子糾纏是什么呢?量子世界有兩個重要特性：量子疊加和量子糾纏。

量子糾纏通俗理解常常被比喻為“遠程心靈感應”，愛因斯坦也稱其為“鬼魅般超距作用”。也就是說，兩個量子糾纏，量子A狀態(tài)改變可以對量子B產生影響，就像有心靈感應一樣。

有這樣屬性的量子糾纏，是信息傳遞、信息保密的最重要的基本資源，是實現量子通信和量子計算機的基石。但有效的量子糾纏并不是那么容易做到的，有效的量子信息傳播需要高純度的糾纏狀態(tài)。“我們需要的糾纏是很純凈可控的糾纏，就像是兩個人之間心心相印。”段路明說。

看起來似乎“遙不可及”的量子互聯(lián)網、量子計算機為何吸引了諸多科學家的目光?

量子計算機將突破經典計算機的瓶頸。經典的計算機中，只有0和1，每個比特都是這兩種狀態(tài)，但量子可以處在0和1的疊加狀態(tài)，那么這樣操縱的量子比特數目增多，對于某些問題，它就可以通過量子并行計算，以指數增長的形式來提升它的運算速度。

■ 對話

清華大學教授段路明：

最終目標是未來的量子互聯(lián)網技術

新京報：量子接口具體是指什么?

段路明：量子接口用于信息連接，把不同的量子媒介，通過量子通信通道連接起來，這是一個基本的元器件。

所有信息裝備都需要接口，例如手機天線接口、網線接口等，我們在量子網絡里也需要接口。把量子的信息(也就是微觀粒子狀態(tài)的信息)從一種介質，例如量子存儲器，通過接口傳輸到通信的量子比特上。

通信的比特我們通常用的是光子，因為在所有的信息載體里，光子跑得最快，最適合做通信的工具。

量子接口要把存儲的粒子和通信的粒子做有效的量子連接，怎么證明接口有量子性，一種方式就是把量子接口互相糾纏在一起，我們做的就是多個量子接口的量子糾纏，在25個量子接口之間實現量子糾纏。

新京報：25個量子接口之間的量子糾纏，把世界紀錄提高了6倍，是如何做到的?

段路明：我們的實驗思路不同，之前那種方法已經基本到了極限，按照原來那種方法突破比較困難。我們換了一個思路，之前加州理工學院做的是4個接口，是單線排列的。我們用了二維平面的接口陣列，用一種可編程的方式，來控制5×5的量子接口陣列，以實現糾纏。

新京報：增加量子接口間的量子糾纏難點在哪?

段路明：隨著量子接口數量增加，實現純凈可控的量子糾纏就很困難。

新京報：可控的量子糾纏是指?

段路明：量子糾纏是我們日常一個很難理解的概念，但在量子信息中是一個很基本的資源，不是很神秘的東西，任何量子粒子通過相互作用都可以產生糾纏，但通常粒子與很多外界的環(huán)境粒子糾纏，這種不可控的糾纏導致噪聲。我們需要的是很純凈可控的糾纏，就像是兩個人之間心心相印，建立單線聯(lián)系。

新京報：未來的應用是什么?

段路明：這個技術在量子信息研究中是萬里長征的一步，最終的發(fā)展目標是未來的量子互聯(lián)網技術。要實現這個目標需要一些基本元器件，而糾纏的量子接口提供了一個這樣的元器件。

■ 背景

中國近年量子研究進展

近幾年，全世界都在對量子領域進行探索，量子通信、量子網絡在步步構建。

2016年8月，中國自主研制的世界上第一顆空間量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”升空。“墨子號”的主要應用目標是通過衛(wèi)星和地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實現星地量子保密通信，并通過衛(wèi)星中轉實現可覆蓋全球的量子保密通信。

2017年6月，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉等人利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎上實現了空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗，在空間量子物理研究方面取得重大突破。

2017年5月3日，中國科學院在上海召開新聞發(fā)布會，宣布世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機在我國誕生。“超越早期經典計算機”是什么概念?答案是，比人類歷史上第一臺電子管計算機(ENIAC)和第一臺晶體管計算機(TRADIC)運行速度快10-100倍。

新京報記者 王俊