微尺度国家实验室实现最大的超纠缠光子薛定谔猫态

　　近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部通过实验成功制备出超纠缠光子薛定谔猫态，纠缠量子比特数目最高达到十个，再次刷新了纠缠态制备的世界记录。此前的最大光子薛定谔猫态是六个光量子比特的纠缠态，也是这个研究部创造的。同时，该工作还演示了薛定谔猫态在超精细位相测量方向的应用。这项研究成果发表在2010年5月出版的国际权威杂志《自然•物理》[Nature Physics 6, 331-335 (2010)]上。审稿人评价该工作是一个实验杰作，在光学量子计算和量子度量学方面有着重要的意义。

　　据该研究小组陈增兵教授介绍，量子纠缠是量子信息处理中的核心“资源”，多粒子纠缠态的研究是国际上一个竞争非常激烈的领域。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，合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部的研究人员打破了这一记录，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，并且一直保持着这个记录。

　　如何进一步高效地扩展纠缠量子比特数目成了量子信息领域的一个严峻的挑战。潘建伟、陈增兵、彭承志等研究人员意识到光子具有多种量子自由度，每个量子自由度在合适的条件下都有可能定义一个量子比特，理论上这些不同的自由度之间也可以形成纠缠，即所谓的超纠缠。打个形象的比喻：超纠缠犹如金庸小说中的双手互搏术，某个光子的两个自由度可以同时与另外某个光子的两个自由度纠缠起来，从而可以把一个光子当成两个量子比特用。该想法提供了一种有效扩大量子纠缠这一重要资源的途径。实验小组随后根据这个想法开展了细致的探索，完美地实现了由五个光子极化状态和空间状态相干叠加形成的十个量子比特薛定谔猫态，并在此基础上演示了基于纠缠的相位超精细分辨。这一成果表明，我国在多粒子纠缠研究领域继续保持了国际领先水平。

　　据该课题组的研究人员介绍，薛定谔猫态的概念来自量子力学的奠基人之一薛定谔在1935年提出的一个著名的佯谬：箱子里面的有一只猫可以同时处于死和活的状态。尽管这种薛定谔猫态在宏观世界是不存在的，然而却存在于微观的量子世界中，并且科学家确实可以用光子或者原子等来制造这样的状态。

　　这一工作已经引起了国际学术界的广泛关注。欧洲物理学会新闻网站在该工作的电子预印本出现时即以“物理学家建立纠缠新记录”为题具体报道了这一工作，称赞该工作是“发展实用性量子计算机的重要突破”。

　　该工作获得了科技部重大科学研究计划、中科院知识创新工程重大项目、国家自然科学基金项目等的资助。