光子纠缠及干涉度量
                                                                                            ——2015年国家自然科学奖一等奖简介

                                                                               本刊资料室

         2015年国家自然科学奖一等奖授予中国科学技术大学潘建伟、彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵为主要完成人的“多光子纠缠及干涉度量”研究团队（图1)．多光子纠缠及干涉度量课题的主要任务是:根据量子物理原理提供一种全新方式对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作，并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵，以确保通信安全和提升计算速度等方面可以突破经典信息技术的瓶颈．该课题属于量子信息学范畴，量子信息学是量子力学和信息科学结合的产物，具有非常重要而广泛的应用． 

                                                 

                                                                      图1 潘建伟研究团队

1 量子纠缠现象发现的历史简述

          两个微观粒子在经过短暂的耦合不再相互作用之后，单独作用（例如测量）其中一个微观粒子，将立即影响另一微观粒子的状态，尽管两粒子间相距遥远，这种关联现象称为量子纠缠.
         光子纠缠是量子纠缠的一种. 对量子纠缠现象的认识有一段深刻而复杂的历史过程
         从19世纪末到20世纪初，量子力学快速发展并完善起来，解决了许多经典理论不能解释的现象，大量的实验事实及实际应用也证明了量子力学是一个成功的物理理论．但是关于量子力学的基本原理的理解却存在不同的解释．
        1935年E•爱因斯坦、P•波多尔斯基和R•罗森为论证量子力学的不完备性提出了一个悖论（后称为EPR悖论）：按定域实在论，如果测量后两个体系不再相互作用，那么对第一个体系的作用，不会使第二个体系发生实在的变化；而按现行量子力学将推导得出，两个体系测量后即使不再相互作用，对第一个体系所做的作用仍会使第二个体系发生实在的变化，对第一个体系所做的作用不同，第二个体系的变化也将不同．可见，现   行量子力学是不完备的，因为它不符合定域实在论，将会引进“鬼魅般的超距作用”．
        EPR悖论的提出，引起物理学家，哲学家的巨大震惊与激烈争论．1964年，贝尔发表了论EPR一文，在此文贝尔推导出一个不等式，可用来检验定域实在论与量子力学（非定域性）的对错．1972~1985年，共进行了14个实验，都支持量子现象的非定域性．
           量子现象的非定域性是量子纠缠的基础:由于非定域性，两个互相纠缠的微观粒子,即使相距非常遥远，一个粒子的行为将会影响另一个粒子的状态．当其中一个被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一个也会即刻发生相应的状态变化．

2 纠缠态的制备

        量子纠缠的制备是量子信息处理的基本物理资源，是量子信息领域的研究重点．在量子体系中，光子的正交偏振态，电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级等,这些存在两态（可以表示为1，0）的体系都可以用来制备“纠缠态”． 在纠缠态的制备中,纠缠度是一个重要的物理量. 所谓的纠缠度是指所研究的纠缠态携带纠缠量的多少．对纠缠度的描述，实质上是对不同纠缠态之间建立定量的可比关系．纠缠状态所纠缠的粒子数量越多，对经典物理学的偏离越明显，获得有用量子效应的机会就越大．目前，世界上普遍利用晶体中的非线性过程等来产生多光子纠缠态，其难度会随着光子数目的增加而指数增大．随研究的进展 , 纠缠态制备的纠缠度不断增加.例如：
        2000年，美国国家标准局在离子阱系统上实现了四离子的纠缠态．
        2004年，中国科学技术大学潘建伟在国际上首次成功实现五光子纠缠的操纵．
        2005年底，美国国家标准局和奥地利因斯布鲁克小组分别宣布实现了六个和八个离子的纠缠态. 
        2011年,中科院量子信息重点实验室李传锋等在郭光灿院士的领导下，成功制备出八光子纠缠态.

3 量子通信

       光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传输方式实现信息传递．实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行逆转变换，即可得到与发送方完全相同的未知量子态，量子通信的过程如图2所示．

                                                                      图2 量子通信的过程
            量子通信具有超高安全、超大容量、超远距离保密通信、传输系统几乎无法破译等特点，将引起通信领域的重大革命．

4 潘建伟研究团队的主要成果及规划

           潘建伟1992年毕业于中国科学技术大学近代物理系．1995年，获该校理论物理硕士学位．1996年，远赴奥地利维也纳大学攻读博士学位，师从量子力学世界级大师塞林格教授，并于1999年获维也纳大学博士学位..从塞林格教授那里, 潘建伟看到了量子信息学的发展前景,选择了量子信息的研究作为自己的发展方向. 1997年，参加了塞林格教授主持的研究工作,首次成功实现量子态隐形传送（1997）以及纠缠态交换（1998）,开始了量子信息研究的人生.目前,潘建伟已成为该领域有重要国际影响力的科学家.潘建伟及其研究团队在量子信息学领域取得了一系列有重要意义的研究成果．例如：
           2004年，潘建伟团队在国际上首次实现了五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输;此后，潘建伟团队分别于2007年制备出六光子纠缠、2012年制备出八光子纠缠，并一直保持着纠缠光子数目的世界纪录．
           在此基础上，团队于2007年在国际上首次实现了安全通信距离超过100 km的光纤量子密钥分发，2008年实现了国际上首个全通型量子通信网络，2012年建成首个规模化量子通信网络.潘建伟团队牵头承担的中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”将于今年发射，届时可以实现高速星地量子通信、并连接地面的城域量子通信网络，初步构建我国广域量子通信体系．
           潘建伟团队的科研路线及规划是：通过量子通信研究，从初步实现局域量子通信网络，到实现多横多纵的全球范围量子通信网络，以保证信息传输的绝对安全；通过量子计算研究，用10~15年构建新一代量子计算机，量子模拟将达到当今世界最快的超级计算机的水平，为大规模计算难题提供解决方案，实现大数据时代信息的有效挖掘；通过量子精密测量研究，实现新一代定位导航、医学检验、引力波探测等等．