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而量子纠缠,则是量子叠加在多粒子条件下的特殊表现形态。汪喜林随手拿起两张纸进行解释。在经典比特的场景下,一张纸朝上朝下,与另一张纸没有任何关联。但当有两个量子比特时,就会出现量子纠缠现象。
“当两个量子比特建立纠缠之后,哪怕把它们分得很远,人们会发现,当一张纸朝上时,另一张也是朝上;当一张纸朝下时,另一张也朝下;当三个量子比特建立纠缠时,发现一张纸朝上时,另外两张也朝上;一张纸朝下时,另外两张纸也朝下;以此类推,18个量子比特纠缠,就是18个同时朝上,或18个同时朝下,且处于18个0+18个1的叠加状态。”汪喜林说。
量子计算需多个光量子比特纠缠,数量越多越好
“经典计算机处理的经典比特,一次只能处理某一个数据,而将来量子计算机在处理量子比特时,可以处于多个数据的相干叠加状态,具有强大的并行计算优势。”汪喜林这样形容,“操纵N个量子比特的量子计算机,原理上可以对2的N次方个数据同时进行数学运算,相当于经典计算机重复实施2的N次方次操作。”
对数据的处理可以实现运算的并行,运算速度会大大提高,同时,量子计算的速度会随着实验可操纵的纠缠比特数的增加而呈指数级提升。多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备是发展可扩展量子信息技术,特别是量子计算的最核心指标,量子计算需用到多个光量子比特纠缠,数量越多越好。
然而,下一步要实现更多个量子比特的纠缠,需进行高精度、高效率的量子态制备和独立量子比特间相互作用的精确调控。但随着量子比特数的增加,操纵带来的噪声、串扰和错误也随之增加。这对量子体系的设计、加工和调控要求极高,对量子纠缠和量子计算的发展构成了巨大挑战。
中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控六个光子的偏振、路径和轨道角动量三个自由度,在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录