量子糾纏技術

量子糾纏的定義；人們說的量子糾纏，是指一個紅粒子和一個藍粒子，在沒有時間的第三空間里發生了神秘的關聯，稱為量子糾纏。

一個紅粒子狀態=0，像硬幣的反面，那麼反面是紅=0；

一個蘭粒子狀態=1，像硬幣的正面，那麼正面是蘭=1；

我們看博弈聖經這樣描述它們的關係；在我們眼前的每一飛秒，都有一個紅蘭的紅粒子通過，接著一個蘭粒子通過，一替一連續性地變換，這就是大自然的一個均衡模式，任何人猜測0101010101或者是紅蘭紅蘭紅蘭這個隨機系統中的某一個粒子，都不會大於一半，這時熵升高，越猜越亂，這就是人在博弈中的熵證據。摘自《人類未知的藍色檔案》一文

量子糾纏是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響影響的現象，雖然粒子在空間上可能分開。

在物理學中，量子糾纏是指存在這樣一些態:A,B,C，…，在時，這些態之間不存在任何相互作用。當時，它們的狀態由Hibert空間HA，HB，HC...，中的矢量所描述，由A，B，C空間構成的量子系統ABC則由Hibert空間中矢量所描述，則這樣的態被稱為比Hibert空間的直積態，否則稱態是糾纏態，也就是說，如果存在糾纏態，就至少要有兩個以上的量子態進行疊加。

量子糾纏說明在兩個或兩個以上的穩定粒子間，會有強的量子關聯。例如在雙光子糾纏態中，向左（或向右）運動的光子既非左旋，也非右旋，既無所謂的x偏振，也無所謂的y偏振，實際上無論自旋或其投影，在測量之前並不存在。在未測之時，二粒子態本來是不可分割的。

量子糾纏所代表的在量子世界中的普遍量子關聯則成為組成世界的基本的關聯關係。或許用糾纏的觀點來解釋“夸克禁閉”之謎。當一個質子處於基態附近的狀態時，它的各種性質可以相當滿意地用三個價夸克的結構來說明。但是實驗上至今不能分離出電荷為2e/3的u夸克或（-e/3）的d夸克，這是由於夸克之間存在著極強的量子關聯，後者是如此之強，以至於夸克不能再作為普通意義下的結構性粒子。通常所說的結構粒子a和b組成一個複合粒子c時的結合能遠小於a和b的靜能之和，a或b的自由態與束縛態的差別是不大的。而核子內的夸克在“取出”的過程中大變而特變，人們看到的只能是整數電荷的，介子等強子。同一個質子，在不同的過程中有不同的表現，在理解它時需要考慮不同的組分和不同的動力學。一個質子在本質上是一個無限的客體。實質上整個宇宙是一個整體的能量慣性體系包括實在的粒子和空間，由於能量慣性的存在，整個能量體系時刻按一定的能量運動規律運動，宇宙中的每一個粒子作為宇宙能量的一分子它本身的能量慣性狀態始終與宇宙環境保持一致即能量的穩定性，它們的電磁能量波始終存在著相互作用。當倆物質粒子同時處於某一狀態即盡量使之處於基態或能量控制編碼態，它們在相互作用時產生了電磁能量慣性互動及量子糾纏現象。因此，物質具有能量然而人們只能從物質的相互作用中獲得並得到利用。

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森(Einstein Podolsky and Rosen)等人提出一種波，其量子態：

其中x1，x2分別代表了兩個粒子的坐標，這樣一個量子態的基本特徵是在任何錶象下，它都不可以寫成兩個子系統的量子態的直積的形式：

這樣的量子態稱為糾纏態。

所謂的糾纏度是指所研究的糾纏態攜帶糾纏的量的多少。對糾纏度的描述，實質上是對不同糾纏態之間建立定量的可比關係。糾纏狀態所糾纏的粒子數量越多，對經典物理學的偏離越明顯，獲得有用量子效應的機會就越大。所以，在量子信息領域中，糾纏通常被看作是非局域的“信息源”。

於是，如何對糾纏定量化就顯得十分重要。但對於兩體純態而言，它仍是兩體純態唯一合理的糾纏度定義。對於多體糾纏度的描述的研究到目前為止仍沒有得到真正的解決，人們仍未放棄尋找一種物理意義上更為鮮明、簡單、易於求解的糾纏度的描述。

量子糾纏並非信息傳遞，事實上信息不可能從一個粒子傳到另一個粒子。即使用光速將它們分開，信息也不可能在測量時從一個地方傳到另一個地方。

量子力學是非定域的理論，這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實，因此，量子力學展現出許多反直觀的效應。量子力學中不能表示成直積形式的態稱為糾纏態。糾纏態之間的關聯不能被經典地解釋。所謂量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間存在非定域、非經典的強關聯。量子糾纏涉及實在性、定域性、隱變數以及測量理論等量子力學的基本問題，並在量子計算和量子通信的研究中起著重要的作用。

多體系的量子態的最普遍形式是糾纏態，而能表示成直積形式的非糾纏態只是一種很特殊的量子態。歷史上，糾纏態的概念最早出現在1935年薛定諤關於“貓態”的論文中。糾纏態對於了解量子力學的基本概念具有重要意義，已在一些前沿領域中得到應用，特別是在量子信息方面（例如，量子遠程通信）。我國科學家潘建偉已經成功的製備了8粒子最大糾纏態。

從19世紀末到20世紀初，量子力學快速發展並完善起來，解決了許多經典理論不能解釋的現象，大量的實驗事實及實際應用也證明了量子力學是一個成功的物理理論。但是關於量子力學的基本原理的理解卻存在不同的解釋。

眾多的物理學家在自己觀點的指引下，對量子力學的基本解釋提出了自己的看法，主要有三種：傳統解釋、PTV系統解釋和統計解釋，這三種解釋之間既有區別又有聯繫。

傳統解釋出發點是量子假設，強調微觀領域內每個原子過程或基元中存在著本質的不連續，其核心思想是玻爾的互補原理（並協原理），還接受了玻恩對態函數的概率解釋，並把這種概率理解為是同一個粒子在給定時刻出現在某處的概率密度。PTV系統解釋的代表是玻姆，這種解釋試圖通過構造各種隱變數量子論來尋找量子力學的決定論基礎，即為態函數的概率解釋建構決定論的基石，目的是在微觀物理學領域內恢複決定論和嚴格因果性，消除經典世界同量子世界的獨特劃分，回到經典物理學的預設概念，建立物理世界的統一說明。統計解釋認為態函數是對統計系統的描述，量子理論是關於系統的統計理論，這個系統是由全同地(或相似的)製備的系統組成，不需要一個預先確定的動力學變數的集合，是一種最低限度的系統解釋。

上面講到三種觀點之間，是既有聯繫又有區別，正是由於各方都堅持己見，才有了著名的愛因斯坦與玻爾之間的論戰，量子糾纏才被愛因斯坦以一個悖論的疑問提出。量子糾纏就此提出。

1927年9月，玻爾在科摩會議中首度公開地演講他的互補原理，由於他採用了大量的哲學語言來闡釋互補原理，使大家感到震驚與困惑。當時大多數人對於測不準關係及互補原理的深刻內涵還不大明了。幾個星期後在布魯塞爾舉行的第五屆solvya會議，包括玻爾、愛因斯坦、玻恩、薛定愕、海森堡等世界最著名的科學家都出席了這項盛會。玻爾在會議中重述了他在科摩會議上的觀點。由於愛因斯坦並未參加科摩會議，這還是他首次聽到玻爾親自闡述互補原理和對量子力學的詮釋。

1951年，玻姆在《量子理論》中重新表述了EPR思想，用兩個自旋分量代替原來的坐標和動量，為進一步研究特別是實驗檢驗奠定了基礎。

1952年，玻姆在《物理學評論》上連續發表兩篇文章，提出了量子力學的隱變數解釋。玻姆認為，在量子世界中粒子仍然是沿著一條精確的連續軌跡運動的，只是這條軌跡不僅由通常的力來決定，而且還受到一種更微妙的量子勢的影響。量子勢由波函數產生，它通過提供關於整個環境的能動信息來引導粒子運動，正是它的存在導致了微觀粒子不同於宏觀物體的奇異的運動表現。玻姆理論最引人注目之處在於它對測量的處理。在這一理論中，量子系統的性質不只屬於系統本身，它的演化既取決於系統同時也取決於測量儀器。因此，關於隱變數的測量結果的統計分佈將隨實驗裝置的不同而不同。正是這個整體性特徵保證了玻姆的隱變數理論與量子力學(對於測量結果)具有完全相同的預測。然而，它也導致了一個令人極不舒服的結果。根據玻姆理論的預言，儘管它為粒子找回了軌跡，但卻是一條永遠不可見的軌跡，理論中引入的隱變數—粒子的確定的位置和速度都是原則上不可測知的。人們永遠無法知道粒子實際的運動軌跡，對它們的測量將總是產生與量子力學相一致的結果。

此外，玻爾理論所假設的另一物理實在波函數同樣是不可探測的隱變數，因為對單個粒子的物理測量一般只產生一個關於粒子性質的確定的結果，而根本測不到任何平場的性質。

糾纏態製備

多光子糾纏態的製備和操控一直是量子信息領域的研究重點。世界上普遍利用晶體中的非線性過程來產生多光子糾纏態，其難度會隨著光子數目的增加而指數增大。

2000年，美國國家標準局在離子阱系統上實現了四離子的糾纏態。

2004年，合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部的研究人員打破了這一紀錄，在國際上首次成功實現五光子糾纏的操縱。

2005年底，美國國家標準局和奧地利因斯布魯克小組分別宣布實現了六個和八個離子的糾纏態，並且一直保持著這個紀錄。

中科院量子信息重點實驗室李傳鋒、黃運鋒研究組在郭光燦的院士領導下，成功製備出八光子糾纏態——GHZ態，並進一步利用產生出的糾纏態完成了八埠量子通信複雜性實驗。實驗結果超越了以往界限，展示了量子通信抗干擾能力強、傳播速度快的優越性。研究工作於2011年11月22日在線發表在《自然·通訊》上。

量子態隱形傳輸

1997年，奧地利蔡林格小組在室內首次完成了量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖通道，成功地將量子“超時空穿越”距離提高到600米。但由於光纖通道中的損耗和環境的干擾，量子態隱形傳輸的距離難以大幅度提高。

2004年，中國科大潘建偉、彭承志等研究人員的小組早在2005年就在合肥創造了13公里的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發送的世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子的可行性。2007年開始，中國科大——清華大學聯合研究小組在北京架設了長達16公里的自由空間量子通道，並取得了一系列關鍵技術突破，最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基於衛星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。該成果已經發表在2010年6月1日出版的英國《自然》雜誌子刊《自然·光子學》上，並引起了國際學術界的廣泛關注。

糾纏態作為一種物理資源，在量子信息的各方面，如量子隱形傳態、量子密鑰分配、量子計算等都起著重要作用。然而，受實驗條件限制和不可避免的環境雜訊的影響，製備出來的糾纏態並非都是最大糾纏態：另一方面，純糾纏態受環境的消相干作用也會退化成為混合態。使用這種混合糾纏態進行量子通信和量子計算將會導致信息失真。為達到更好的量子通信或量子計算效果，需要通過糾纏純化技術將混合糾纏態純化成純糾纏態或者接近純糾纏態。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是量子信息研究中的重要課題。常見量子糾纏態應用，例如：量子通訊應用於量子態隱形傳輸；量子計算應用於量子計算機，量子計算在實現技術上有嚴重的挑戰，實現這一問題要解決另外三個問題——量子演演算法、量子編碼、實現量子計算的物理體系，量子保密通訊也廣泛應用於量子密碼術中。

潘建偉，現任中國科學技術大學教授、博士生導師，中科院“百人計劃”、教育部長江學者。2003年被奧地利科學院授予青年物理學家最高獎Erich Schmid獎。

2008年，中國科學技術大學教授潘建偉與同事一起，利用先進的冷原子量子存儲技術，在世界上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系統之間的量子糾纏。這種量子糾纏可以被讀出並轉化為光子糾纏，以進一步傳輸和操作，從而實現了首個“量子中繼器”。歐洲物理學會在這一年度的國際物理學十大成就介紹中，將該成果評價為：“藉助它，量子通信可以達到任意遙遠的距離。”《自然》雜誌則稱該成果“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。

2009年，已經回到中國科大全時工作的潘建偉，帶領他的團隊再次取得重大突破，在合肥建成了世界上第一個可自由擴充的多節點光量子電話網，這是國際上第一個可升級的全通型量子通信網路和首個城際量子通信網路。這項突破，預示著絕對安全的量子通信會在不久的將來由實驗室研究走進人們的日常生活。

“由於在星地量子密鑰分發方面的國際競爭異常激烈，中科院不囿常規，果斷地為我們同時啟動了兩個知識創新工程重大項目，使得我們有可能在國際上率先實現空地量子通信，在最終實現全球化量子通信方面佔據領先地位。這種果斷和及時的支持，彰顯了國家對支持戰略性前沿基礎科學研究的敏銳判斷力和決策力。”2009年11月1日，潘建偉作為優秀青年科學家的代表，在中科院建院60周年紀念大會上發言。

潘建偉神采奕奕。他在大會上披露：“令我們略感自豪的是，目前，我們是國際上首次把絕對安全量子通信距離突破到超過百公里的3個團隊之一，是國際上報道絕對安全的實用化量子通信網路實驗研究的兩個團隊之一，是國際上在實用化量子通信方面開展全面、系統性實驗研究的兩個團隊之一，也是國內唯一領銜開展星地量子通信實驗研究的科研團隊。”

回顧自己領導的實驗室的成長曆程，潘建偉不由地感言：“我們正處在一個不斷實現和超越夢想的光榮時代。”

由潘建偉領導團隊開展的科研工作，正是在與量子的不斷“糾纏”中，展示著夢想一般的神奇力量。

與量子一生一世的“糾纏”

正如中國科大前任校長朱清時院士所言：“潘建偉的基礎研究工作，對於一般人來說是難以理解的，不然我們會感到更強的震撼力。”

在科幻小說《星際旅行》的故事中，星球戰士從某一地點突然消失，而瞬間地出現在遙遠的另一地點。那麼，現實生活中是否真的存在這樣的過程呢？實際上是存在的，這就是量子隱形傳態。在這個過程中，一個物體的狀態可以在某地突然消失，而以極快的速度在遙遠的某地重現出來。1993年，來自4個國家的6位科學家將這一神奇的現象在理論上揭示出來。在這個科學方案中，量子糾纏起著至關重要的作用。

處於量子糾纏的兩個粒子，無論分離多遠，它們之間都存在一種神秘的關聯，這種神秘的關聯無論如何都無法用經典觀念去理解，被愛因斯坦稱為“遙遠地點間詭異的互動”。量子信息科學家發現，量子糾纏除了神秘之外，還是一種可資利用的超經典力量，它可以成為具有超級計算能力的量子計算機和“萬無一失”的量子保密系統的基礎。

“隨著現代量子物理研究的不斷進展，科學家已能夠成功操縱光子和原子，目前正在對更大的物體並在更遠的距離上進行隱形傳輸研究。假以時日，或許未來能夠傳輸人類本身，《星際旅行》中的科學幻想或許能變成現實。”潘建偉說，“但我們在實現‘星際旅行’前，一切的科學研究都首先需要腳踏實地。”

在過去的10年間，潘建偉同國內及德國、奧地利專家合作，腳踏實地地與量子發生著“糾纏”。正是在與量子的糾纏不休中，潘建偉不斷展示出量子基礎科學成果對人類現實生活的神奇作用。

1997年12月，潘建偉與奧地利科學家賽林格和荷蘭學者波密斯特等合作，首次實現了量子態的隱形傳送，成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。該成果被譽為“量子信息實驗領域的突破性進展”，被公認為量子信息實驗領域的開山之作，歐洲物理學會將其評為世界物理學的年度十大進展，美國《科學》雜誌將其列為年度全球十大科技進展。1999年該工作同倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論等影響世界的重大研究成果一起，被《自然》雜誌選為“百年物理學21篇經典論文”。那一年，潘建偉29歲。

在接下來的10年中，潘建偉對量子隱形傳態的這一神奇現象開展了更加深入的研究：2003年，首次實現了自由傳播光子的隱形傳態，使得量子隱形傳態能應用在更加廣泛的量子通信和量子計算中；2004年，在首次實現五光子糾纏的基礎上，實現了一種更新穎的量子隱形傳態，即終端開放的量子隱形傳態，為奠定分散式量子信息處理的基礎作出了貢獻；2006年，首次實現了兩光子複合系統量子隱形傳態；2008年，首次實現了光子比特與原子比特間的量子隱形傳態。

取得這一連串驕人成績的潘建偉今年39歲，他的個頭並不高，笑談中無不透著科學家特有的質樸。

2003年，由於在量子態隱形傳輸以及量子糾纏態純化實驗實現上的重要貢獻，潘建偉被奧地利科學院授予Erich Schmid獎，此獎為奧地利科學院授予40歲以下的青年物理學家的最高獎，每兩年評出一人獲獎。

站在量子計算的世界地圖上

從2001年開始，潘建偉就開始了在國內建設世界級研究中心的步伐，“我在奧地利攻讀博士學位時，正是量子信息這門新興科學開始蓬勃發展的年月。我很快了解到，這門科學可以帶來極大的應用價值並具有重大科學意義，勢必會推動整個信息產業的技術革命。因此，我很快將目光投向了國內，迫不及待地希望祖國能很快跟上這個新興領域的發展步伐，在信息技術領域抓住這次趕超發達國家並掌握主動權的機會。”

2001年，潘建偉入選“中科院引進國外傑出人才”，並獲得了中科院知識創新工程重要方向性項目的支持，在中國科大組建了量子物理與量子信息實驗室。

這個實驗室以一批年輕教師和學生為班底，朝氣蓬勃。雖然研究工作幾乎是從零開始，但因為在組建之初就得到了中科院和中國科大的大力支持，在以後的幾年裡又陸續得到了國家自然科學基金委和科技部等主管部門的大力支持。

2004年，實驗室進入中國科大合肥微尺度物質科學國家實驗室，成為量子物理與量子信息研究部，不但科研環境得到了很大改善，一批優秀的年輕人才也在這裡經過鍛煉和培養后迅速脫穎而出。實驗室組建至今，已經在國際權威學術期刊《自然》、《自然—物理》、《物理評論快報》發表論文共計40多篇。正如英國著名的科學新聞雜誌《新科學家》以封面標題的形式，對實驗室進行專題報道所說的那樣：“中國科大——因而也是整個中國——已經牢牢地在量子計算的世界地圖上佔據了一席之地。”

“2009年初，我把在海德堡大學的實驗室整體搬回了國內，還以中科院‘百人計劃’等方式，將一批優秀的青年學術骨幹引進來，使中國科大的研究力量更加壯大了。”潘建偉高興地說。

一個劃時代意義的秘密通話

“長江、長江，我是黃河。”“黃河、黃河，我是長江。”這樣的保密通話，並不是諜報戰中高潮起伏的緊張一幕，而是2009年8月初，中國科大在合肥市5個不同地點之間的秘密通話。除了通話者本身，世界上沒有其他人知道他們在電話里說了什麼。

這個秘密電話無疑是劃時代的。電話接通的一剎那，中國科學家讓“量子通信”揭開了神秘面紗，第一次真正展現出它的實用價值。

藉助現有的商業光纖網路，潘建偉帶領團隊組建的可自由擴充的光量子電話網，用戶間距達20公里，實現了“電話一撥即通、語音實時加密、安全牢不可破”的實時網路通話。

光量子電話網的核心部件，是他們獨立研發的量子程式控制交換機和量子通信終端。潘建偉告訴《科學時報》記者，這種不怕竊聽的量子通信採用的是“一次一密”的加密方式，即便是目前最先進的技術手段也無法監聽。為確保絕對安全，兩人通話期間，密碼機每時每刻都在產生密碼，牢牢“鎖”住語音信息；而一旦通話結束，這串密碼就會立即失效，下一次通話絕不會重複使用。

“光量子電話網”的橫空問世，是實用化量子通信領域取得的又一國際領先的研究成果。

2009年4月，由潘建偉領導取得的這項突破性成果，發表在光學領域著名國際期刊《光學快遞》上，立即被美國《科學》雜誌以《量子電話》為題進行了報道，正如其評論中所述：“有了這樣的演示，量子隱私走進千家萬戶不會是很遙遠的未來。”

“你團隊後面是整個中國”

潘建偉對記者披露，他們下一步的宏偉目標是通過衛星真正實現全球化量子通信。“首先要解決的是衛星的高速飛行問題，地面上也需要準確地接受信號，這就要有一個強大的聯合團隊，才能保障目標的早日實現。”

“好在我們已經組建了聯合實驗室，聯合中科院成都光電所、微系統所、技術物理所等相關研究所，利用這些戰略高技術的儲備能夠解決問題。這些戰略高技術在國內都有長期的積累，現在終於能夠用於基礎科學前沿了。”潘建偉喜不自禁地介紹。

空間大尺度的量子試驗，是中國科大和中科院上海分院等單位共同聯合、全力推進的項目，已經形成了一個很好的合作團隊，現在團隊每星期開一次協調會議。

“未來20年內量子通信會大規模運用，現在歐盟、美國、日本都非常重視這一前沿科學領域。在原創性研究領域，哪怕做到第二都是失敗！我們輸不起，中國也不能輸。”潘建偉對記者強調。

2009年春天，在中科院副院長江綿恆的辦公室里，江綿恆對潘建偉說：“你是首席科學家，你應該記住，站在你團隊後面的是整個中國；支持你團隊的也是整個中國。”

這的確是潘建偉奮鬥不止的動力源泉。

榮譽

2018年2月，中國實現星地千公里級量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態，榮獲科技部2017年度中國科學十大進展。

1、發現量子複合系統中整體不等於部分和的狀態及其物理量的技術。

2、發現量子複合系統中整體不等於部分和的狀態及其物理量的規律的技術。

3、製造整體不等於部分和的狀態及其物理量的量子複合系統的技術。

4、控制整體不等於部分和的狀態及其物理量的量子複合系統的技術。