中國科學技術大學潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂等組成的研究小組在國際上首次成功實現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。2月26日出版的《自然》雜志以封面標題的形式發(fā)表了這一最新研究成果。這是自1997年國際上首次實現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來，科學家們經(jīng)過18年努力在量子信息實驗研究領域取得的又一重要突破，為發(fā)展可擴展的量子計算和量子網(wǎng)絡技術奠定了堅實的基礎。

　　量子隱形傳態(tài)在概念上非常類似于科幻小說中的“星際旅行”，可以利用量子糾纏把量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠地點，而無需傳輸載體本身。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算網(wǎng)絡中發(fā)揮著至關重要的作用。1997年，國際上首次報道了單一自由度量子隱形傳態(tài)的實驗驗證，該工作隨后與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論、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21篇經(jīng)典論文”。

　　此后，作為國際學術界量子信息實驗領域的重要研究熱點，量子隱形傳態(tài)又先后在包括如冷原子、離子阱、超導、量子點和金剛石色芯等諸多物理系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。然而，以往所有的實驗實現(xiàn)都存在著一個根本的局限，即只能傳輸單個自由度的量子狀態(tài)，而真正的量子物理體系自然地擁有多種自由度的性質(zhì)，即使是一個最簡單的基本粒子，如單光子，它的性質(zhì)也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等。多自由度的量子隱形傳態(tài)作為發(fā)展可拓展量子計算和量子網(wǎng)絡技術的必經(jīng)途徑，成為近二十年來量子信息基礎研究領域的一個巨大挑戰(zhàn)。

　　在中國科學院、教育部、科技部和國家自然科學基金委等有關科教主管部門的大力支持下，潘建偉小組面對挑戰(zhàn)，選取單光子自旋和軌道角動量作為研究對象，創(chuàng)造性地發(fā)展了多項新穎的多粒子多自由度的糾纏操縱技術，巧妙地設計了利用單光子非破壞測量技術實現(xiàn)自旋和軌道角動量多自由度貝爾態(tài)測量的新方案。經(jīng)過多年艱苦努力，研究人員成功制備了國際上最高亮度的自旋-軌道角動量超糾纏源、高效率的軌道角動量測量器件，突破了以往國際上只能操縱兩光子軌道角動量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動量糾纏實驗平臺，成功實現(xiàn)了多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。

　　《自然》雜志審稿人認為：“（該研究成果）絕對新穎、重要，處于當前量子光學和量子信息領域的最前沿，可以認為是一個偉大的成就”、“在1997年單個自由度量子隱形傳態(tài)實驗實現(xiàn)的18年之后，這個工作從基本概念上將量子隱形傳態(tài)提升到了一個新的水平”、“非常有趣，意義重大，且具有極其苛刻的技術難度”。由于該成果的重要性，《自然》雜志專門邀請國際知名量子光學專家Wolfgang Tittel教授在同期的“新聞視角”欄目撰文評論：“該實驗實現(xiàn)為理解和展示量子物理的一個最深遠和最令人費解的預言邁出了重要的一步，并可以作為未來量子網(wǎng)絡的一個強大的基本單元”。該論文發(fā)表后，第一時間受到了美國《科學新聞》和歐洲物理學會新聞網(wǎng)站Physics World等多家國際媒體的報道，稱“該工作不僅在提升對量子力學基礎問題的理解上邁進了關鍵一步，也將在未來量子計算機的研制中扮演重要角色”。

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　　對單光子自旋和軌道角動量的量子隱形傳態(tài)過程的圖片展示：具有軌道角動量的光子以螺旋線向前傳輸；光子攜帶的自旋角動量由箭頭表示。