量子纠缠到底“纠缠”个啥？ 【科普】

　　核心提示：张文卓 (中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院副研究员)　　(资料来源于中国科普博览、中科院之声)　　近日，潘建伟院士带领的中国科学技术大学团队的“多光子纠缠和干涉度量...

　　张文卓 (中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院副研究员)

　　(资料来源于中国科普博览、中科院之声)

　　近日，潘建伟院士带领的中国科学技术大学团队的“多光子纠缠和干涉度量学”获得了2015年度国家自然科学一等奖，是中国自然科学领域的最高奖项。该团队也 打破了国家自然科学一等奖历史上最年轻团队的记录。五位完成人按获奖顺序依次为潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授。其中潘建伟、彭承志、陈增兵三位为“70后”，陈宇翱和陆朝阳为“80后”。

　　与 以往的很多国家自然科学一等奖相比，该团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃，其成果3次入选美国物理学会(American Physical Society)评选的“年度物理学重大事件”(The Top Physics Stories of the year)，2次入选英国物理学会(Institute of Physics)评选的“年度物理学重大进展”(Highlights of the year)，最近被英国物理学会的Physics world网站评选为2015世界物理学十大进展第一名(Breakthrough of the Year)。

　　这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”，细心的朋友会发现这就是潘建伟院士2012年在《现代物理评论》(Review of Modern Physics)杂志上发表的论文“Multiphoton entanglement and interferometry”的译名[1]。《现代物理评论》为物理学领域最顶级的综述杂志，仅向各个领域世界知名的物理学家约稿来介绍该领域最新进展。潘院士这篇综述也是中国科学家发表在该刊物的第一篇实验论文。

　　在量子通信和量子计算等多个方向上，潘建伟团队都取得了世界领先的科研成果，而“多光子纠缠和干涉度量学”作为核心研究内容之一，贯穿始终。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子产生纠缠。这是利用光子做量子隐形传态和量子计算的必要前提。

　　量子力学中“纠缠”指的是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，可以用一个量子比特来表示：

　　ΦA=a|0>A+b|1>A ，

　　另一个粒子B也处于叠加态：

　　ΦB=c|0>B+d|1>B 。

　　当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，例如：

　　ΦAB=ad|0>A|1>B +bc|1>A|0>B

　　就是一个纠缠态：当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。

(图片来源：NATURE)

　　在没有外界干扰的情况下，无论两个粒子相隔多远，纠缠态都可以存在，因此量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)，并以此来质疑量子力学的完备性(因为违反了他提出的“定域性”原理)。但是后来一次次实验都证实量子力学是对的，非定域的量子纠缠可以存在，定域性原理必须舍弃。

　　随着量子信息学的诞生，量子纠缠成为了量子通信和量子计算的核心。最新的研究表明，微观的量子纠缠和宏观的热力学第二定律，甚至是时间之箭的起源都有着密不可分的关系。

　　　针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求，纠缠的光子数自然是越多越好。在实验上，光子纠缠需要对光子源产生的光子通过各种光学干涉的方法来获取，这就是“多光子纠缠”和“多光子干涉度量学”成为一个整体课题的原因。产生纠缠的光子数越多，干涉和测量的系统也就越复杂，实验难度也就越大。

　　如图1，一个紫外光脉冲照射BBO晶体可以有一定概率产生一对光子(o和e)，通过在偏振分束器(PBS)上的一次干涉，o光子和e光子都可以形成水平偏振H和竖直偏振V的叠加态，于是o光子和e光子就形成了一个纠缠态|HH>+|VV>(即o光子是H偏振时，e光子一定也是H偏振，反之o光子是V偏振时，e光子一定也是V偏振)。

图1 双光子干涉和纠缠产生的光路示意图

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