中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等組成的研究小組在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。2月26日出版的《自然》雜志以封面標(biāo)題的形式發(fā)表了這一最新研究成果。這是自1997年國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來(lái)，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)18年努力在量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域取得的又一重要突破，為發(fā)展可擴(kuò)展的量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　量子隱形傳態(tài)在概念上非常類似于科幻小說(shuō)中的“星際旅行”，可以利用量子糾纏把量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，而無(wú)需傳輸載體本身。量子隱形傳態(tài)作為量子信息處理的基本單元，在量子通信和量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。1997年，國(guó)際上首次報(bào)道了單一自由度量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該工作隨后與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。
　　此后，作為國(guó)際學(xué)術(shù)界量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)，量子隱形傳態(tài)又先后在包括如冷原子、離子阱、超導(dǎo)、量子點(diǎn)和金剛石色芯等諸多物理系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。然而，以往所有的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)都存在著一個(gè)根本的局限，即只能傳輸單個(gè)自由度的量子狀態(tài)，而真正的量子物理體系自然地?fù)碛卸喾N自由度的性質(zhì)，即使是一個(gè)最簡(jiǎn)單的基本粒子，如單光子，它的性質(zhì)也包括波長(zhǎng)、動(dòng)量、自旋和軌道角動(dòng)量等。多自由度的量子隱形傳態(tài)作為發(fā)展可拓展量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的必經(jīng)途徑，成為近二十年來(lái)量子信息基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
　　在中國(guó)科學(xué)院、教育部、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委等有關(guān)科教主管部門的大力支持下，潘建偉小組面對(duì)挑戰(zhàn)，選取單光子自旋和軌道角動(dòng)量作為研究對(duì)象，創(chuàng)造性地發(fā)展了多項(xiàng)新穎的多粒子多自由度的糾纏操縱技術(shù)，巧妙地設(shè)計(jì)了利用單光子非破壞測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)自旋和軌道角動(dòng)量多自由度貝爾態(tài)測(cè)量的新方案。經(jīng)過(guò)多年艱苦努力，研究人員成功制備了國(guó)際上最高亮度的自旋-軌道角動(dòng)量超糾纏源、高效率的軌道角動(dòng)量測(cè)量器件，突破了以往國(guó)際上只能操縱兩光子軌道角動(dòng)量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動(dòng)量糾纏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)了多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。
　　《自然》雜志審稿人認(rèn)為：“（該研究成果）絕對(duì)新穎、重要，處于當(dāng)前量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域的最前沿，可以認(rèn)為是一個(gè)偉大的成就”、“在1997年單個(gè)自由度量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的18年之后，這個(gè)工作從基本概念上將量子隱形傳態(tài)提升到了一個(gè)新的水平”、“非常有趣，意義重大，且具有極其苛刻的技術(shù)難度”。由于該成果的重要性，《自然》雜志專門邀請(qǐng)國(guó)際知名量子光學(xué)專家Wolfgang Tittel教授在同期的“新聞視角”欄目撰文評(píng)論：“該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)為理解和展示量子物理的一個(gè)最深遠(yuǎn)和最令人費(fèi)解的預(yù)言邁出了重要的一步，并可以作為未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)強(qiáng)大的基本單元”。該論文發(fā)表后，第一時(shí)間受到了美國(guó)《科學(xué)新聞》和歐洲物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站Physics World等多家國(guó)際媒體的報(bào)道，稱“該工作不僅在提升對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題的理解上邁進(jìn)了關(guān)鍵一步，也將在未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的研制中扮演重要角色”。
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　　對(duì)單光子自旋和軌道角動(dòng)量的量子隱形傳態(tài)過(guò)程的圖片展示：具有軌道角動(dòng)量的光子以螺旋線向前傳輸；光子攜帶的自旋角動(dòng)量由箭頭表示。