仝殿民教授课题组关于量子相干性的研究成果在

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摘要:5月12日,美国物理学会综述性期刊《现代物理评论》(Reviews of ModernPhysics)发表来自中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授及其同事陈增兵、陆朝阳应邀撰写的题为“

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5月12日,美国物理学会综述性期刊《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)发表来自中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授及其同事陈增兵、陆朝阳应邀撰写的题为“多光子纠缠和干涉度量学”(Multiphoton entanglement and interferometry)的长篇综述论文。这是中国科学家在该期刊上以中国为第一单位发表的第一篇实验综述论文。 《现代物理评论》是国际物理学界最权威的综述性评论期刊,其2010年的影响因子超过50。该期刊为季刊,每年仅发表四十余篇学术论文,一般不接受自由投稿,而是邀请在各领域卓有建树的物理学家执笔,旨在对当今物理研究的重大热点问题做历史总结、原理阐述、现状分析和趋向预测。 量子信息科学利用量子力学的叠加原理对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作,带来了通信和计算等领域的很多新机遇,包括绝对安全的量子通信、超快并行量子计算、量子模拟和超精密测量等。近年来,量子信息实验研究已经成为物理学最有活力的前沿研究方向之一。 作为国际上量子信息和量子通信实验研究领域的开拓者之一,潘建伟是该领域有重要国际影响力的科学家,他率先完成了量子隐形传态、多体量子非定域性检验、量子纠缠交换和量子纠缠纯化等奠基性工作。为了发展实用化的广域量子通信,潘建伟和他领导的团队首次实现突破大气等效厚度的自由空间量子密钥分发、安全距离超百公里的全通型量子通信网络。为了克服光子损失,潘建伟小组率先提出并实现基于冷原子量子存储的高效量子中继器,实现了高品质的单光子和纠缠光子的量子存储。在多粒子纠缠方面,潘建伟等首次实验实现三、四、五、六、八光子纠缠、十比特超纠缠,一直保持着世界纪录。通过对多个光子态的相干操纵,潘建伟小组实现量子大数分解算法、搜索算法、突破经典极限的高精度测量和任意子分数统计的量子模拟等。 潘建伟等受邀为《现代物理评论》撰写的综述论文长达60多页。文章回顾了量子物理和量子光学的发展历史,系统阐述了多光子纠缠的原理、制备和操纵技术,深入讨论了其在量子力学基本问题的检验、量子通讯、量子计算、量子模拟以及超精密测量等方面的广泛应用,并展望了量子信息技术的未来发展趋势。 (微尺度物质科学国家实验室、新闻中心)

[本站讯]近日,物理学院仝殿民教授课题组完成的关于量子相干性的研究论文发表在最新出版的物理学顶尖刊物Physical Review Letters上(Phys.Rev. Lett. 120 (2018) 170501, DOI10.1103/PhysRevLett.120.170501),该论文首次提出了基于有限信息估算未知量子态相干度的方法。这一工作由物理学院博士生张大剑、刘崇龙、于晓东和导师仝殿民教授合作完成。张大剑为第一作者,山东大学为第一完成单位。研究工作得到了学校学科发展经费、国家自然科学基金和973项目的支持。

据外媒报道,中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟与同事陈宇翱、陆朝阳等在国际上首次成功实现八光子薛定谔猫态,打破了之前由该研究组保持了多年的六光子纪录,再次刷新了光子纠缠态制备的世界记录。这个工作于2月12日发表在英国《自然》杂志的子刊《自然·光子学》上。

5月16日下午,应数学与信息科学学院邀请,上海交通大学博士生导师麻志浩教授在数学楼107作了题为“量子信息中一些数学和物理问题”的学术讲座。学院相关负责人、青年教师、研究生聆听了报告。

必威体育官网 ,量子相干性是量子物理区别于经典物理最本质的特征之一,是完成各类量子信息处理任务的重要资源,被广泛应用于物理学、化学和生物学的多个分支学科。关于量子相干性的研究,一个重要的问题是如何获得量子系统的相干度,以确定该系统是否具备完成信息处理任务所需要的相干性资源。由于实际应用中可对量子系统进行的实验测量常常是非常有限的,因此需要根据量子系统的有限测量信息估算量子态的相干度,这是一个具有挑战性的难题。本文作者解决了这一问题,给出了未知量子态相干度的最优下界理论公式和数值计算方案。

据悉,论文的预印本于2011年5月底在网站arXiv.org公开后,引起学术界的广泛关注。随后,欧美多家知名科技媒体,包括欧洲物理学会(Institute of Physics)、美国麻省理工学院技术评论(MIT Technology Review)、美国物理学家组织、大众科学(Popular Science)、英国ZDNet网站等马上报道了这一工作,称“潘建伟小组打破了自己保持的六光子纪录,首次实验纠缠了八个光子”、“该技术在量子计算、精密测量和量子纠错中有特别的用途”。这个实验工作也受到了审稿人的高度评价,被赞誉为“量子光学领域的一个重大进展”。据悉,之后国际上有其它小组也报道在实验上观测到八光子纠缠态,但潘建伟小组在亮度、纯度等关键指标上每一项都保持着国际最优水平。

麻志浩指出,量子信息是国际前沿研究方向,量子通信、量子计算机是国际研究热点,而我国最近发射的墨子号量子通信卫星是国内在量子通信方面取得的卓越成就。强调量子力学中一个基本问题是测不准关系,它是科学中一个基本原理,同时在量子信息中有着重要应用。麻志浩以矩阵及变换理论为基础,分析了纯态、混合态、缠绕态的矩阵表示,并就纠缠度量等问题做了详细讲解,并介绍了其在海森堡不确定关系研究上所做的突出工作。

仝殿民教授是山东大学物理学院1982届毕业生,2007年回母校工作,是泰山学者特聘教授,长期从事量子力学基础理论和量子信息的物理基础研究,已作为第一作者或通信作者在Physical Review Letters发表6篇论文。

发展实用化的量子计算必然依赖于对多个量子态的相干操纵。一个形象的比喻是,一个多粒子纠缠的实验平台如同驾驭量子计算的航空母舰,倚籍于这个载体才有可能施展拳脚,研究各种量子计算的方案。薛定谔猫态是量子世界里最奇妙的现象之一,不仅奠定了量子力学的理论基础,而且集中体现了多粒子操纵的核心技术。因此,实现多粒子的薛定谔猫态的研究一直是国际上一个竞争非常激烈的领域。

报告结束后,麻志浩与参会师生进行了热烈交流,饶有兴趣的的解答了师生们提出的系列问题。

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在中科院、科技部和基金委的长期支持下,从2002年在中国科大建立实验室开始,潘建伟小组就一直牢牢盯住这个战略性的重要课题。2000年,美国国家标准局在离子阱体系上首先实现四离子的纠缠态。2004年,潘建伟小组打破这一记录,在国际上首次成功实现对五光子纠缠的操纵,论文发表在《自然》杂志上,被欧洲物理学会和美国物理学会同时评为“国际年度物理学重大进展”。2007年,潘建伟小组又率先突破六光子纠缠。论文发表在《自然·物理学》上,为同年发表在该期刊上被引用最多的两篇研究论文之一。而在欧洲,一直到2009年,维也纳大学、慕尼黑大学和斯德哥尔摩大学才相继观测到六光子纠缠。2010年,潘建伟小组通过发展新型超纠缠技术,成功制备了由五个光子极化和空间态相干叠加形成的十量子比特薛定谔猫态,被审稿人称赞为一个实验壮举,并被欧洲物理学会、英国BBC等广泛报道。

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对八光子的操纵就自然地成为了量子信息领域的下一个重大目标。这项技术需要控制四对独立的纠缠源,符合计数的亮度极低,并且有多种噪声来源。这是极具挑战的一个课题。通过四年多的潜心研究,潘建伟团队对多光子操纵技术进行了进一步革新,制备了世界上亮度和纯度最佳的脉冲纠缠光子源。在此基础上,通过优化每个细节,发展低噪声八光子干涉仪,潘建伟团队于2011年首次在国际上完美掌握了八光子纠缠技术,这一技术随后马上被应用于拓扑量子纠错的实验研究。这一成果表明,我国继续领先于美国、德国和奥地利等发达国家,在国际上牢牢地把握了多光子纠缠研究领域的制高点。

麻志浩,男,现为上海交通大学数学科学学院教授。主要研究方向是量子信息以及量子力学相关问题,尤其是量子纠缠理论及其在量子计算机、量子通信中的应用。目前,在国际权威主流学术刊物发表论文30多篇,其中在世界科学最高刊物《Science》 子刊《Science Advances》发表论文1篇,在物理学排名第一刊物《Physical Review Letters》发表论文2篇,在物理学顶尖期刊《New Journal of Physics》(英国皇家物理学会最好的期刊), 《Physical Review A》(Nature 评为世界上最好的68种科技刊物之一)等权威刊物发表论文20多篇。

(微尺度物质科学国家实验室)

(数学与信息科学学院 高福根 苗山根)

相关外媒报道链接:

Institute of Physics: “Physicists break record for extreme quantum state”

MIT technology review: “First Observation Of 8 Entangled Photons Smashes Entanglement Record”

Phys Org: “Chinese team entangles eight photons, breaking record”

Popular Science: “Researchers Entangle and Observe Eight Photons Simultaneously, Smashing the Previous Record”

ZDNet UK: “Researchers report record eight entangled photons”

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