量子信息大跃进－18个量子位元的量子纠缠

潘建伟和他的合作夥伴在最近的《物理评论快讯》(Physical Review Letter)中揭示了18个量子位元的量子纠缠(entanglement)，这是他继之前5、6、8、10量子位元量子纠缠纪录的另一大跃进。如果潘建伟的名字听来陌生，他是2017年被《Nature》列为世界十大重要科学人物的大陆科学家。

藉这机会细讲一下量子位元与量子纠缠。传统的二进位位元就是0与1两种状态，在电路设计中通常以电压的高低或电荷的有无来表示。量子位元是0与1两种状态的线性组合，譬如一个量子状态有2分之1的机会测量出来为0，另有2分之1的机会测量出来为1，这就是科普小说中爱谈的半死半活薛丁格的猫。量子位元的量子态可以很多元，譬如是一个粒子自旋(spin；角动量的一部分)的向上或向下，一个粒子的空间模式(spatial mode，有时候指的是路径向左或向右)，光子极化(polarization)的水平或垂直等，这些量子态都具有量子力学内在机率的特性。量子态可以实践在超导体、量子点、离子陷阱、氮空位钻石(nitrogen-vacancy diamond)、光子等材料上。

量子纠缠是量子计算与量子通讯的最基础运作。基本上是操作两个以上的量子位元，让二者发生某种关连。举个例子：两个电子分别置放于A、B两处，如果没有特别预先准备，这两个电子的自旋值为1/2，方向可能指向任一方向，而且两者测量的结果互不相关。电子的自旋像个小磁矩，可以用外加磁场让它们都指向上方，并且用低温和隔绝手段，让自旋的方向较长时间维持向上。在A、B之间置放一个光子分束器(beam splitter)，准备一个光子，让其自旋1向下。当这个光子打到分束器，光子经过分束器后它的路径是机率性的，有2分之1的机会让光子转向A、2分之1的机会让光子转向B。

当光子打到电子时，由于角动量守恒的原因，净效应是将被打到的电子自旋翻转向下为-1/2。位于A、B两处的电子，其自旋值在未经测量前是未知的；在测量之后，有2分之1的机率A之自旋值为1/2、B为-1/2，另有2分之1的机率A之自旋值为-1/2、B为1/2。更有趣的是当单只是A或B一方电子的自旋值被测出后，另一方的自旋值也同时被自动决定。这就是利用光子不同路径与两个量子位元交互作用所形成的纠缠态。

潘建伟这次是利用光子的极化、路径、角动量(自旋)3个量子的自由度将3对光子(6个光子)纠缠在一起，形成18个量子位元的纠缠态。这个实验中形成纠缠态难、维持各量子位元的相干性(coherence)也难、测量各量子位元的量子数更难。这是量子纠缠形成方法的大跃进。

当然，用光子做为量子计算的量子位元为时尚早，所以由光子组成的量子纠缠态主要应用在量子通讯上。在量子通讯领域，大陆隐隐有超越美国之势。也难怪美国DARPA现在正在执行的50计划中，有5分之1是关于量子信息，包括QuASAR(量子辅助传感与读取)、QuBE(生物环境的量子效应)、QUIST(量子信息科学与技术)、QUEST(量子纠缠科学与技术)、Quiness(巨观量子通讯)。美国紧张了，我们的通讯产业呢？