導(dǎo)語(yǔ)：科學(xué)技術(shù)發(fā)展論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要文章介紹了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子信息科學(xué)研究是如何興起和發(fā)展的；著重介紹了在量子信息的基礎(chǔ)理論、量子密碼、量子糾纏、量子隱形傳態(tài)、量子處理器和量子信息的應(yīng)用等方面所取得的研究成果.

關(guān)鍵詞量子信息，量子糾纏，量子通信，量子計(jì)算

1引言

上世紀(jì)80年代，正當(dāng)電子計(jì)算機(jī)按每18個(gè)月運(yùn)行速度翻一番的摩爾定律而蓬勃發(fā)展之際，物理學(xué)家就杞人憂天地問(wèn)：摩爾定律是否會(huì)終結(jié)？他們的研究結(jié)論是：摩爾定律必然會(huì)失效，而量子計(jì)算機(jī)可望成為后摩爾時(shí)代的新型計(jì)算工具.當(dāng)時(shí)信息領(lǐng)域的科學(xué)家們對(duì)此并不予理會(huì)和關(guān)注，因?yàn)槠鋾r(shí)摩爾定律正處于輝煌的頂盛時(shí)期.然而，物理學(xué)家們?nèi)匀蛔巫尾痪氲嘏?，終于誕生了量子信息這門新興交叉學(xué)科.

1994年,Shor提出量子并行算法［1］，并證明可用來(lái)實(shí)現(xiàn)大數(shù)因子分解，從而輕易地攻破目前廣泛使用的RSA公開(kāi)密碼體系，這門新興學(xué)科的巨大威力震驚了整個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)界，并引起政界、軍界和商界的極大關(guān)注，從此量子信息科學(xué)便迎來(lái)迅猛發(fā)展的新時(shí)期，迄今方興未艾！

我們?cè)谏鲜兰o(jì)90年代量子信息剛剛在國(guó)際上悄然興起之際就投入到這個(gè)新興領(lǐng)域的研究行列之中，并于1997年和1998年先后在《Phys.Rev.Lett.》上提出“量子避錯(cuò)編碼原理”和“量子概率克隆原理”，引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度重視.1999年，中國(guó)科學(xué)院開(kāi)始在我校創(chuàng)建國(guó)內(nèi)第一個(gè)從事量子信息研究的量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)極富有前瞻性的戰(zhàn)略部署開(kāi)辟了我校量子信息研究的新局面.在此之前，自我回國(guó)歸來(lái)所組建的研究小組只有一臺(tái)電腦，我們坐著冷板凳，默默耕耘了15年之久.2001年作為首席科學(xué)家單位，我校承擔(dān)了科技部“國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目（“973”項(xiàng)目）：“量子通信與量子信息技術(shù)”，這個(gè)由國(guó)內(nèi)17個(gè)單位50多位學(xué)術(shù)骨干組成的研究團(tuán)隊(duì)不僅取得一系列重要成果，而且培養(yǎng)出許多杰出的年青學(xué)術(shù)骨干，在其后國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃“量子調(diào)控”的實(shí)施中由此研究團(tuán)隊(duì)衍生出5位首席科學(xué)家.

本世紀(jì)初，我校以中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃從奧地利引進(jìn)杰出的年青學(xué)術(shù)帶頭人潘建偉博士，他隨后在“合肥微尺度國(guó)家實(shí)驗(yàn)室”建立“量子物理與信息”研究組，并在多光子糾纏方面不斷地做出國(guó)際領(lǐng)先水平的成果.該研究組與中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同推進(jìn)了我國(guó)量子信息學(xué)科的發(fā)展，也成為我校物理學(xué)科中特色鮮明成果豐碩的新成長(zhǎng)點(diǎn).本文將簡(jiǎn)要介紹我校在量子信息領(lǐng)域中已取得的主要研究成果.

2首個(gè)量子信息領(lǐng)域的國(guó)家獎(jiǎng)

2．1提出能有效抑制環(huán)境噪聲的量子避錯(cuò)編碼原理［2］

量子相干性在環(huán)境作用下會(huì)不可避免地消失，這種消相干效應(yīng)是量子計(jì)算機(jī)和量子信息系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的主要障礙.量子編碼是有效克服消相干的有效途徑.國(guó)際學(xué)術(shù)界提出基于獨(dú)立消相干的量子糾錯(cuò)編碼.我們發(fā)現(xiàn)在集體消相干過(guò)程中存在有不會(huì)發(fā)生消相干的“相干保持態(tài)”（又稱“無(wú)消相干子空間”，DFS），并基于此發(fā)現(xiàn)提出量子避錯(cuò)編碼原理，成為迄今三種不同原理的量子編碼之一.美國(guó)著名的LosAlamos和NIST實(shí)驗(yàn)室的三個(gè)研究組分別在光子、離子和原子核體系中證實(shí)了這個(gè)編碼的正確性，三個(gè)實(shí)驗(yàn)均發(fā)表在《Science》上［3］，我們的論文作為原始性工作被引用.

2．2提出能有效提取量子信息的概率克隆原理［4］

量子不可克隆定理為量子信息提取設(shè)置了不可逾越的障礙，于是學(xué)術(shù)界提出不精確克隆的量子普適克隆原理，其克隆效率為1，但保真度總是小于1.我們提出概率量子克隆原理，可以某種概率精確克隆量子信息，即克隆效率總小于1，但保真度為1.國(guó)際學(xué)術(shù)界稱之為“段-郭量子克隆機(jī)”，最大克隆效率稱為“段-郭界限”.我們還在實(shí)驗(yàn)上研制成功這兩類量子克隆機(jī)，驗(yàn)證了理論預(yù)言的正確性［5］，被國(guó)際學(xué)術(shù)界譽(yù)為“本領(lǐng)域最激動(dòng)人心的最新進(jìn)展之一”［6］.

2．3提出能有效抑制腔損耗影響的腔量子電動(dòng)力學(xué)（QED）量子處理器新方案［7］

腔QED是種理想的量子處理器，但腔的損耗引起量子信息的泄漏阻礙其實(shí)際運(yùn)行，為此要求腔的Q值要很高，現(xiàn)有的技術(shù)難以達(dá)到.我們提出一種能抑制腔損耗影響的新方案，并證明現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn).法國(guó)巴黎高師的著名學(xué)者、法蘭西院士Haroche研究組很快在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)這個(gè)方案的正確性［8］.我們的論文成為該研究方向后續(xù)工作必引用原始的論文，迄今已被SCI他引260余次.

2003年上述成果以“量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)研究”為題目榮獲了國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng).

3量子密碼

3．1實(shí)現(xiàn)從北京到天津125km商用光纖的量子密鑰分配［9］

量子密碼是量子信息領(lǐng)域中最可能得到實(shí)際應(yīng)用的技術(shù).美國(guó)人將“量子加密”稱為“改變?nèi)祟愇磥?lái)”的新技術(shù).量子密碼原理已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)演示成功.目前國(guó)際學(xué)術(shù)界正在研究走向?qū)嵱眠M(jìn)程中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題.光纖量子密鑰分配研究中最關(guān)鍵的問(wèn)題是：現(xiàn)在廣泛研制的不等臂MZ干涉儀雖然安全但穩(wěn)定性很差，無(wú)法在商用光纖上運(yùn)行，而改進(jìn)后的返回式光學(xué)系統(tǒng)雖然解決了穩(wěn)定性問(wèn)題，但其安全性卻出現(xiàn)了漏洞.我們解決了這個(gè)穩(wěn)定性和安全性統(tǒng)一的難題.在實(shí)驗(yàn)上研究了光纖系統(tǒng)不穩(wěn)定性的物理根源，在理論上給出穩(wěn)定性條件，進(jìn)而設(shè)計(jì)出滿足穩(wěn)定性條件的邁克遜-法拉第干涉儀，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)150km的量子密鑰分配，在北京與天津之間的125km商用光纖上實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分配和加密圖像傳送.這是迄今國(guó)際上報(bào)道的最遠(yuǎn)距離實(shí)用光纖量子密鑰分配.

3．2局域量子保密通信網(wǎng)在北京測(cè)試成功

我們利用自己發(fā)明的量子網(wǎng)絡(luò)路由器和單向傳輸、抗干擾的F-M量子密鑰分配系統(tǒng)，于2007年3月份在北京完成了國(guó)際上第一個(gè)多（4個(gè)）節(jié)點(diǎn)、無(wú)中轉(zhuǎn)、可同時(shí)、任意互通的量子保密通信網(wǎng)的測(cè)試性運(yùn)行，取得了很好的通信效果.這次測(cè)試是在中國(guó)網(wǎng)通公司的商用通信光纖線路上實(shí)現(xiàn)的，節(jié)點(diǎn)間距離分別為43，32，40，32km，對(duì)應(yīng)的誤碼率碼率分別為7.7%,4.1%,6.6%,2.4%.測(cè)試顯示，系統(tǒng)在沒(méi)有人為干預(yù)的條件下，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行.

3．3無(wú)共享參考系的量子通信的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)［10］

在1km的光纖中,利用偏振和時(shí)間兩個(gè)模式均有糾纏的光子對(duì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了BB84量子密鑰傳輸?shù)囊环N更抗干擾的改良方案.該量子密碼不受光纖扭曲、旋轉(zhuǎn)或者光纖本身缺陷的影響，通信雙方也不需要精確的同步時(shí)間，從而大大降低了通信的復(fù)雜度.無(wú)論外部環(huán)境如何變化，光纖通信雙方總有辦法取得需要的密碼.此外，我們還給出了量子通信方案的絕對(duì)安全的理論論證，避免了現(xiàn)有光纖量子通信的安全性隱患.《Phys.Rev.Lett.》審稿人認(rèn)為，該成果是“非常出色的”，“具有特殊的價(jià)值”.

4量子糾纏源的制備和操控

量子糾纏是量子信息領(lǐng)域中最重要的資源.當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)粒子處于糾纏態(tài)時(shí)，對(duì)其中的一個(gè)粒子進(jìn)行操作，其他的糾纏粒子不管位于何處，其量子態(tài)會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)的變化.因此，彼此糾纏的粒子之間便由這種基于量子非局域性的內(nèi)稟通道構(gòu)成一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，它可以實(shí)現(xiàn)量子通信（即傳送量子信息），也可以實(shí)施分布式的量子計(jì)算.自從量子信息作為新興學(xué)科誕生以來(lái)，量子糾纏便成為國(guó)際學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn).我校研制成功高亮度的光子糾纏源：連續(xù)糾纏光子源，每秒12.8對(duì)，對(duì)比度為95%；脈沖糾纏光子源，每秒1.4萬(wàn)對(duì),對(duì)比度87%,在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平.

4．1量子信息傳輸?shù)钠嫣噩F(xiàn)象

兩個(gè)糾纏的光子構(gòu)成一條量子通道，通過(guò)對(duì)各個(gè)光子的操作，可實(shí)現(xiàn)許多新奇的信息傳輸功能.1997年，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了所謂“量子隱形傳態(tài)”，即將未知量子信息傳送到遠(yuǎn)處的糾纏光子上而原先攜帶該量子信息的物理載體卻留在原處不被傳送.我們進(jìn)一步研究了量子信息傳輸?shù)脑S多有趣現(xiàn)象：（1）在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了單光子量子態(tài)的遠(yuǎn)程操縱，即局域地操作其中一個(gè)糾纏光子，可將遠(yuǎn)處的另一個(gè)糾纏光子制備在任意態(tài)上［11］；（2）局域地對(duì)一個(gè)糾纏光子實(shí)施任意相位旋轉(zhuǎn)操作，可將這個(gè)操作傳送到遠(yuǎn)處，旋加在另一個(gè)光子態(tài)上［12］；（3）在實(shí)驗(yàn)上演示了當(dāng)糾纏通道被損壞時(shí)，可通過(guò)單光子局域操作來(lái)實(shí)現(xiàn)糾纏純化，而不必通過(guò)非局域的操作［13］.



4．2多光子物理學(xué)的研究進(jìn)展［14］

多光子量子態(tài)具有許多重要性質(zhì)，例如N個(gè)光子態(tài)的干涉所呈現(xiàn)的德布羅意波長(zhǎng)減少到1/N，這可使相位測(cè)量達(dá)到海森伯極限的精度，用于光學(xué)刻蝕，其精度可提高到1/N.光子數(shù)越來(lái)越多的量子態(tài)，蘊(yùn)含著越豐富的量子現(xiàn)象，但制備也更為困難.我們?cè)诶碚撋咸岢鲆环N所謂“NOON態(tài)投影測(cè)量方法”，可用來(lái)制備和識(shí)別多光子量子態(tài)，在實(shí)驗(yàn)上演示了四光子和六光子德布羅意波長(zhǎng)，并將著名的兩光子洪-區(qū)-曼德?tīng)枺℉ong-Qu-Mandel）干涉推廣到多光子場(chǎng)合，在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這種方法是多光子物理中重要而有效的實(shí)驗(yàn)方法.



4．3五光子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)［15］

首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏態(tài)，并演示利用這個(gè)糾纏態(tài)可實(shí)現(xiàn)終端開(kāi)放的量子隱形傳態(tài)，即未知量子態(tài)被隱形傳到終端的三個(gè)光子糾纏態(tài)上，然而按照三個(gè)粒子的合作可被制備在其中任一個(gè)粒子上.利用這個(gè)五光子糾纏態(tài)，在實(shí)驗(yàn)上還演示了量子糾纏濃縮和糾纏交換，為量子中繼的實(shí)現(xiàn)研究邁開(kāi)重要一步.

4．4六光子圖態(tài)糾纏的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)［16］

該工作通過(guò)對(duì)多光子操縱技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了基于光子比特“焊接”技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)測(cè)試平臺(tái)，成功地制備出國(guó)際上糾纏光子數(shù)量多的薛定諤貓態(tài)和可以直接用于量子計(jì)算的簇態(tài).該項(xiàng)成果以封面標(biāo)題形式發(fā)表在2007年2月1日出版的英國(guó)《Nature》雜志子刊《NaturePhysics》上，審稿人評(píng)價(jià)其是“光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域至今最先進(jìn)實(shí)驗(yàn)工作”和“一個(gè)出色的成就，為量子計(jì)算、量子糾錯(cuò)和量子力學(xué)基本問(wèn)題的研究鋪平了道路”.歐洲物理學(xué)會(huì)稱贊該工作“為量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了重要一步”.

5量子隱形傳態(tài)的研究進(jìn)展

5．1兩個(gè)量子位復(fù)合系統(tǒng)量子量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)［17］

在國(guó)際上首次成功地實(shí)現(xiàn)了復(fù)合系統(tǒng)量子態(tài)隱形傳輸，首次成功地實(shí)現(xiàn)了六光子糾纏態(tài)的操縱，這為實(shí)用化的量子信息研究開(kāi)創(chuàng)了新起點(diǎn).對(duì)于容錯(cuò)量子計(jì)算、量子中繼、普適量子糾錯(cuò)等重要研究方向具有極其深遠(yuǎn)的影響，《Nature》網(wǎng)站專門了“Pressreleases”,并在《Nature》雜志“研究亮點(diǎn)”欄目中對(duì)該工作進(jìn)行專門報(bào)導(dǎo)，稱贊該實(shí)驗(yàn)成果是在“在大尺度量子通信研究中取得長(zhǎng)足進(jìn)展”.該工作入選“2006年度中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”.



5．2利用光子和原子量子比特的內(nèi)嵌存儲(chǔ)的量子隱形傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)［18］

內(nèi)嵌存儲(chǔ)的量子比特隱形傳輸是實(shí)現(xiàn)大尺度量子通信以及基于測(cè)量的量子計(jì)算的關(guān)鍵.盡管量子態(tài)的隱形傳輸以及量子比特的存儲(chǔ)已經(jīng)在原則上被證明，然而實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌存儲(chǔ)的量子比特的隱形傳態(tài)在實(shí)驗(yàn)上仍舊很困難.

首次通過(guò)將光量子比特的態(tài)隱形傳輸至原子的比特上，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了內(nèi)嵌存儲(chǔ)的量子比特隱形傳輸，在實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)未知的極化光子態(tài)通過(guò)7m的距離隱形傳輸至一個(gè)原子比特，并成功地存儲(chǔ)了8μs，該原子態(tài)可以被轉(zhuǎn)換成光量子態(tài),以用于進(jìn)一步的量子信息處理.從光子態(tài)到原子態(tài)的隱形傳輸并且內(nèi)嵌了可讀存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)，使得有效的、可升級(jí)的量子網(wǎng)絡(luò)有望在不久的將來(lái)被實(shí)現(xiàn).

6量子信息處理器的研究進(jìn)展

量子計(jì)算的最終實(shí)現(xiàn)取決于能否研制成功物理上可擴(kuò)展的量子信息處理器,用它來(lái)有效地存儲(chǔ)和處理量子信息.目前的研究水平離此目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn),但科學(xué)家滿懷著堅(jiān)定信心正在向著這個(gè)目標(biāo)步步逼進(jìn).我們?cè)诨诠虘B(tài)物理、量子光學(xué)和核磁共振量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)研究方面取得一系列理論和實(shí)驗(yàn)的重要進(jìn)展.



6．1在理論上提出一種基于腔QED的新型量子信息處理器方案［19］

通過(guò)對(duì)腔的泄漏光子進(jìn)行單光子探測(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同腔中原子之間的糾纏，該方案具有制備效率高、抗噪能力強(qiáng)、易于尋址等優(yōu)點(diǎn).《Phys.Rev.Lett.》的審稿人贊道：“在尋求隨心所欲的產(chǎn)生量子態(tài)的方案中，這可能是一篇里程碑的文章”.另外，利用高Q腔單個(gè)原子與腔外部單個(gè)原子的相互作用，設(shè)計(jì)了一種可行性很強(qiáng)的基于光子的量子計(jì)算方案，它以原子作為中介來(lái)實(shí)現(xiàn)光子與光子之間的受控相位門操作，該方案按目前的技術(shù)水平和抗噪能力是可以實(shí)現(xiàn)的，學(xué)術(shù)界對(duì)此予以很高評(píng)價(jià).

6．2提出固態(tài)容錯(cuò)量子計(jì)算新方案［20］

固態(tài)量子計(jì)算被國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)為是最有希望研究成功的途徑之一，固態(tài)中量子比特之間的固有耦合是其易于擴(kuò)展集成的優(yōu)勢(shì)根源，但在量子計(jì)算過(guò)程中往往要求斷開(kāi)量子比特間的這種固有耦合，這是固態(tài)量子計(jì)算遇到的新難題.我們提出“無(wú)相互作用子空間（IFS）”的新概念，利用編碼方法可以實(shí)現(xiàn)邏輯比特之間的消耦合，同時(shí)證實(shí)，在實(shí)際固態(tài)模型中實(shí)施邏輯比特的任意操作和受控操作是可行的.進(jìn)一步，將學(xué)術(shù)界業(yè)已認(rèn)可的無(wú)消相干子空間（DFS）與IFS相結(jié)合，提出固態(tài)容錯(cuò)量子計(jì)算新方案，并在實(shí)際的固態(tài)模型中證明了其可行性.這開(kāi)辟了固態(tài)量子計(jì)算的新研究方向.



6．3實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子受控非門的隱形傳送［21］

基于量子光學(xué)系統(tǒng)的量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)是另一種有希望途徑，其優(yōu)點(diǎn)是量子相干性好.但這類方案的不足之處是物理可擴(kuò)展性差.分布量子計(jì)算方案是克服這個(gè)缺點(diǎn)的有效方法，即以只含少數(shù)量子比特的系統(tǒng)作為節(jié)點(diǎn)，采用糾纏通道將這些節(jié)點(diǎn)連成量子網(wǎng)絡(luò)，便可實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算.該方案的可行性取決于在相距甚遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間能否實(shí)現(xiàn)兩比特的量子受控門操作這一關(guān)鍵問(wèn)題.特別是，在光子與節(jié)點(diǎn)量子比特之間非強(qiáng)耦合的條件下能否實(shí)現(xiàn)確定性的受控非門操作更是至關(guān)重要的問(wèn)題.我們運(yùn)用糾纏光子對(duì)在實(shí)驗(yàn)上將某個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩比特受控門操作經(jīng)由糾纏量子通道隱形傳送到遠(yuǎn)處的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的確定性受控門操作，這個(gè)操作的平均保真度達(dá)到0.84.《Phys.Rev.Lett.》的審稿人認(rèn)為“這是向分布量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)邁出的重要一步”.

6．4實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立光子間的量子邏輯門［22］

光子之間的相互作用非常微弱，在實(shí)驗(yàn)上要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立光子之間的受控非門操作是相當(dāng)困難的.利用五光子糾纏技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了非破壞性可升級(jí)的獨(dú)立光子之間的量子邏輯門，這是線性光學(xué)量子計(jì)算研究中最基本和重要的一步.作為這種量子邏輯門的一個(gè)重要應(yīng)用例子，還進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)上用它來(lái)實(shí)現(xiàn)完全的量子隱形傳態(tài).

6．5混合態(tài)量子幾何相的實(shí)驗(yàn)研究［23］

幾何相是量子理論的重要概念，但什么是量子混態(tài)的幾何相卻尚未搞清楚.我們利用核磁共振（NMR）實(shí)驗(yàn)技術(shù)完成具備不同噪聲的量子混態(tài)的制備，觀測(cè)到了任意量子態(tài)的幾何相.該工作受到國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注.



6．6利用光子比特實(shí)現(xiàn)Shor量子分解算法［24］

我們?cè)趪?guó)際上首次用光子比特設(shè)計(jì)了一套線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)演示了15=3×5這個(gè)質(zhì)數(shù)因子分解，并且確認(rèn)了量子計(jì)算中多體純糾纏的存在，驗(yàn)證了量子加速的根源問(wèn)題.該工作獲得了國(guó)際學(xué)術(shù)界的關(guān)注和認(rèn)可.麻省理工學(xué)院教授SethLloyd評(píng)價(jià)該實(shí)驗(yàn)是“邁向光學(xué)量子計(jì)算的必要一步”.美國(guó)物理學(xué)會(huì)以“量子計(jì)算的重大突破”為題新聞稿，稱贊“這一富有創(chuàng)造性的工作將有助于進(jìn)一步應(yīng)用于物理化學(xué)建模和超快搜索”.英國(guó)科技新聞雜志《NewScientist》以《量子計(jì)算威脅我們的機(jī)密數(shù)據(jù)》為題對(duì)實(shí)驗(yàn)做了長(zhǎng)篇報(bào)道，稱“出現(xiàn)能運(yùn)行Shor算法的量子計(jì)算機(jī)具有極為深遠(yuǎn)的意義：這意味著未來(lái)量子計(jì)算機(jī)能夠輕松地破解我們銀行帳號(hào)，商業(yè)和電子商務(wù)數(shù)據(jù)使用的密碼.”此外，美國(guó)的《ScienceNews》、德國(guó)的《InnovationsReport》等其他多家科學(xué)期刊和網(wǎng)站也紛紛報(bào)道了該工作.



6．7首次證明“量子開(kāi)關(guān)”可被局域識(shí)別，為量子信息處理提供了一個(gè)實(shí)用方法［25］

此前，物理學(xué)家們證明了量子門操作可以被準(zhǔn)確地識(shí)別，但該方法需要量子糾纏作為基本資源，而量子糾纏在現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)中獲取、保存與傳輸都有很大難度，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的難度巨大.

我們利用幺正變換的基本性質(zhì)，證明了量子門的識(shí)別過(guò)程中可以不需要耗費(fèi)糾纏資源，僅使用局部操作和傳統(tǒng)手段就可以完成識(shí)別功能，這一成果為量子信息處理過(guò)程的量子門操作識(shí)別和量子通信信通的識(shí)別提供的一個(gè)很好的工具.審稿人評(píng)價(jià)“對(duì)我們理解量子操作具有重要貢獻(xiàn)”.

7量子信息應(yīng)用研究的進(jìn)展

7．1利用糾纏光子對(duì)在實(shí)驗(yàn)上檢驗(yàn)了Kochen-Specker理論［26］

在量子物理學(xué)中，隱變量理論一直在挑戰(zhàn)著量子力學(xué)的完備性.Bell不等式在實(shí)驗(yàn)上的違背證實(shí)了這種隱變量是不存在的，量子力學(xué)是完備的.但這個(gè)結(jié)論僅適合于類空事件的場(chǎng)合.Kochen-Specker理論更深刻揭示出與環(huán)境無(wú)關(guān)的隱變量（NCHV）與量子力學(xué)的不相容性，但以往只有兩個(gè)對(duì)NCHV進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn).我們完成了一個(gè)“全有或全無(wú)”類型的對(duì)NCHV的非統(tǒng)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地說(shuō)明了量子力學(xué)的正確性.

7．2首次利用核磁共振實(shí)現(xiàn)了量子博弈實(shí)驗(yàn)［27］

實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了在量子博弈中，如果兩個(gè)參與人都選擇了量子策略，他們將獲得雙贏的結(jié)果，而在經(jīng)典博弈中，任何一個(gè)理性的參與人都不可能獲勝.這個(gè)有趣的研究成果，在國(guó)際學(xué)術(shù)媒體中引起廣泛的興趣，美國(guó)和英國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)表了許多報(bào)道和評(píng)價(jià).



7．3實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)高精度量子相位測(cè)量［28］

應(yīng)用雙模光子數(shù)態(tài)和自己獨(dú)創(chuàng)的多光子投影測(cè)量方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相位精度超過(guò)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量子極限.該方法最有希望逼近海森伯極限.著名的美國(guó)物理學(xué)科網(wǎng)站以《測(cè)量精度沖破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限》為題做了專文報(bào)道.



7．4實(shí)驗(yàn)上研制成功“量子賭博機(jī)”［29］

這是宏觀上展示量子力學(xué)反常行為的奇妙機(jī)器，其功能可抑制“莊家”的欺騙，在未來(lái)的量子信息產(chǎn)業(yè)中可能成為一種必備的商用機(jī)器.該文章發(fā)表后，《Nature》在其“研究亮點(diǎn)”欄目專文中作了報(bào)導(dǎo)，美國(guó)物理學(xué)科網(wǎng)站也以《物理學(xué)家建立量子賭博機(jī)》為題予以長(zhǎng)篇報(bào)道.

8結(jié)束語(yǔ)

量子信息技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一，我們有幸在起跑線上加入到這場(chǎng)關(guān)系到國(guó)家重大利益的競(jìng)爭(zhēng)之中，就必須義無(wú)反顧地?fù)?dān)負(fù)起這份歷史責(zé)任，在這個(gè)新興領(lǐng)域中為我國(guó)爭(zhēng)得重要的一席之地.面對(duì)著這個(gè)巨大的挑戰(zhàn)和難得的機(jī)遇，我們將以量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī)為研究目標(biāo)，艱苦奮斗，永不放棄.雄關(guān)漫道真如鐵，無(wú)限風(fēng)光在險(xiǎn)峰！



參考文獻(xiàn)

［1］ShorPW.Proceedingsofthe35thIEEESymposiumonFoundationsofComputerScience.1994,20

［2］DuanLM，GuoGC.Phys.RevLett.,1997,79:1953;Phys.Rev.,1998,57:737;1998,57:2399

［3］KwiatPGetal.Science,2000,290:498;KielpinskiDetal.Science,2001,291:1013;ViolaLetal.Science,2001,293:2059

［4］DuanLM,GuoGC.Phys.RevLett.,1998,80:4999

［5］HuangYF,LiWL,LiCFetal.Phys.Rev.A,2001,64:032305

［6］CheflesA.Contemp.Phys.,2000,41:404

［7］ZhengSB,GuoGC.Phys.RevLett.,2003,85:2392

［8］OsnaghiSetal.Phys.Rev.Lett.,2001,87:037902

［9］HanZF,MoXF,GuiYZetal.Appl.Rev.A,2005,86:221103;MoXF,ZhuB,HanZFetal.Opt.Lett.,2005,30:2632

［10］ChenTY,ZhangJ,BoileauJCetal.Phys.RevLett.,2006,96:150504

［11］XiangGY,LiJ,YuBetal.Phys.Rev.A,2005,72:012315

［12］XiangGY,LiJN,GuoGC.Phys.Rev.A,2005,71:044304

［13］WangZW,ZhouXF,HuangYFetal.Phys.RevLett.,2006,96:220505

［14］XiangGY,HuangYF,SunFWetal.Phys.RevLett.,2006,97:023604

［15］ZhaoZ,ChenYA,ZhangANetal.Nature,2004,430(54—58):02643;ZhaoZ,YangT,ChenYAetal.Phys.RevLett.,2003,90:207901

［16］LuCY,ZhouXQ,GühneOetal.NaturePhysics,2007,3:91

［17］ZhangQ,GoebelA,WagenknechtCetal.NaturePhysics,2006,2:678

［18］ChenYA,ChenS,YuanZSetal.NaturePhysics,2008,4:103

［19］DuanLM,KimbleHJ.Phys.RevLett.,2003,90:253601

［20］ZhouXX,ZhouZW,GuoGCetal.Phys.RevLett.,2002,89:197903;ZhouZW,YuB,ZhouXXetal.Phys.RevLett.,2004,93:010501

［21］HuangYF,RenXF,ZhangYSetal.Phys.RevLett.,2004,93:240502

［22］BaoXH,ChenTY,ZhangQetal.Phys.RevLett.,2007,98:170502

［23］DuJ,ZouP,ShiMetal.Phys.RevLett.,2003,91:100403

［24］LuCY,BrowneDE,YangTetal.Phys.RevLett.,2007,99:250504

［25］ZhouXF,ZhangYS,GuoGC.Phys.RevLett.,2007,99:170401

［26］HuangYF,LiCF,ZhangYSetal.Phys.RevLett.,2003,90:250401

［27］DuJ,LiH,XuXetal.Phys.RevLett.,2002,88:137902

［28］SunFW,LiuBH,GongYXetal.Europhy6sicsLetters,2008,82:24001

［29］ZhangP,ZhangYS,HuangYFetal.EurophysicsLetters,2008,82:30002