1、潘建偉中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室2011年6月19日疊加態量子 構成物質的最基本單元能量的最基本攜帶者 不可分割光子原子分子量子力學測不準原理量子比特經典比特01光子極化|量子不可克隆定理| |22量子與量子疊加|“遙遠地點之間的詭異互動”愛因斯坦1212121212121|21|2 量子糾纏兩光子極化糾纏態量子糾纏利用量子糾纏研究量子力學非定域性檢驗、量子通信、量子計算、量子模擬和精密測量n 單粒子方案 Bennett & Brassard (1984)n 糾纏態方案Ekert, PRL 67, 661 (1991) 一次一密，完全隨機絕對安全絕對安全量子不可分割量子不可克

2、隆定理量子通信：量子密鑰分發初態糾纏源糾纏對經典通信初態糾纏對Bennett et al., PRL 70, 1895 (1993)量子通信：量子隱形傳態341234123412341223141234|Zukowski et al., PRL 71, 4287 (1993)n 如何在草堆中找到一根針？n 經典搜尋： 步n 量子搜尋 ： 步n 可破譯DES密碼：n 使得n 利用經典THz計算機分解 300位的大數，需1024步， 150000年n 利用Shor算法THz計算機， 只需1010步，1秒！n 這意味著RSA將不再安全！量子并行性使得量子計算機可以同時對 2N個數進行數學運算，其效果

3、相當于經典計算機重復實施 2N次操作量子并行性0 或 100，01，10 或 11000，001，010.0 + 100 + 01 + 10 + 11000 + 001 + 010 + .經典比特經典比特量子比特量子比特Shor算法P. W. ShorGrover搜尋算法L. K. Grover1000年 4分鐘！256個數中搜尋密鑰量子計算一個由N個二能級系統組成的量子系統由一個2N維希耳伯特空間描述若要用經典計算機來模擬其演化， 需要內存大小為2N， 且需要計算2N 2N維矩陣元的系數！無法進行有效模擬！ 費曼普適的量子模擬器可以設計由N個量子比特構成的程序化量子裝置，來模擬量子系統的狀態

4、及其演化 利用超冷等離子體模擬慣性約束聚變 利用超冷原子模擬凝聚態物理n 探索二維體系相變過程n 研究（分數）量子霍爾效應n 模擬高溫超導n 可控的量子化學過程量子模擬精密測量n 誘騙態量子密鑰分發理論誘騙態量子密鑰分發理論Wang, PRL 94, 230503 (2005)Lo et al., PRL 94, 230504 (2005)n 光纖光纖誘騙態量子密鑰分發誘騙態量子密鑰分發超過超過100公里公里Rosenberg et al., PRL 98, 010503 (2007) (Los-Alamos國家實驗室-NIST聯合實驗組)Peng et al., PRL 98, 010505

5、 (2007)n 光纖光纖誘騙態量子密鑰分發達到誘騙態量子密鑰分發達到200公里公里 Liu et al., Opt. Express 18, 8587 (2010)實用化光纖量子密鑰分發實用化城域量子通信網絡歐洲歐洲SECOQC網絡網絡Peev et al., New J. Phys. 11, 075001 (2009)日本日本Tokyo QKD網絡網絡合肥全通型城域量子通信網絡合肥全通型城域量子通信網絡Chen et al., Opt. Express 17, 6540 (2009)Chen et al., Opt. Express 18, 27217 (2010)蕪湖量子政務網蕪湖量子政

6、務網Xu et al., Chin Sci Bull 54, 2991 (2009)Wang et al., Opt. Lett. 35, 2454 (2010)量子隱形傳態光子光子比特的隱形傳態（最遠距離比特的隱形傳態（最遠距離600米）米） Bouwmeester et al., Nature 390, 575 (1997)Marcikic et al., Nature 421, 509 (2003)Pan et al. Nature 421, 721 (2003)Ursin et al., Nature 430, 849 (2004)終端終端開放的量子隱形傳態開放的量子隱形傳態Zhao

7、et al., Nature 430, 55 (2004)復合系統量子隱形傳態復合系統量子隱形傳態Zhang et al., Nature Physics 2, 678 (2006)光量子計算n 線性光學量子線性光學量子計算計算 （理論）（理論）Knill et al., Nature 409, 46 (2001)n Shor量子算法的光學實現：量子算法的光學實現：15=?Lu et al., PRL 99, 250504 (2007)n基于基于簇態的單向量子簇態的單向量子計算計算 （理論）（理論）Raussendorf et al., PRL 86, 5188 (2001)Nielsen,

8、PRL 93, 040503 (2004)Browne et al., PRL 95, 010501 (2005)n 6光子簇態的制備光子簇態的制備Lu et al., Nature Physics 3, 91 (2007)n用用簇態和非簇態簇態和非簇態實現量子計算實現量子計算Chen et al., PRL 99, 120503 (2007)Gao et al., Nature Photonics 5, 117 (2011)n 8光子糾纏態的制備光子糾纏態的制備Yao et al., submitted (2011)光量子模擬n 用多光子圖態證實任意子服從分數統計用多光子圖態證實任意子服從分

9、數統計Han et al., PRL 98, 150404 (2007) （理論）Lu et al., PRL 102, 030502 (2009) （實驗）n 用用多光子糾纏態計算氫分子能譜多光子糾纏態計算氫分子能譜Lanyon et al., Nature Chemistry 2, 106 (2010)n 用多光子用多光子模擬模擬Heisenberg自旋系統自旋系統Ma et al., Nature Physics 7, 399 (2011)精密測量n 4光子德布羅意波長光子德布羅意波長Walther et al., Nature 429, 158 (2004)n 10比特超糾纏態制備及相

10、位測量比特超糾纏態制備及相位測量Gao et al., Nature Physics 6, 331 (2010)光量子信息處理面臨的困難PPP 光纖存在固有的光子損耗、與環境的耦合會使糾纏品質下降 單光子和糾纏光子對的產生是概率性的 安全的量子通信難以向更遠距離拓展 純光的量子計算和量子模擬難以升級資源消耗資源消耗1/PN解決方案之一：星地光量子傳輸克服地表曲率、沒有障礙物的阻礙只有5-10公里的水平大氣等效厚度大氣對某些波長的光子吸收非常小大氣能保持光子極化糾纏品質外太空無衰減和退相干自由空間量子通信實驗進展13公里自由空間量子通信實驗公里自由空間量子通信實驗Peng et al., PRL

11、 94, 150501 (2005)16公里自由空間量子隱形傳公里自由空間量子隱形傳態態Jin et al., Nature Photonics 4, 376 (2010)144公里自由空間量子密鑰分發公里自由空間量子密鑰分發Schmitt-Manderbach et al., PRL 98, 010504 (2007)100公里自由空間公里自由空間雙向雙向量子量子糾纏分發糾纏分發Ren et al., submitted (2011)正在開展的工作：星地量子通信 星地高速量子密鑰分發，連接地面城域網絡 星地量子糾纏分發，實現空間尺度量子隱形傳態、 空間尺度量子力學非定域性檢驗解決方案之二：量

12、子中繼 克服退相干：糾纏純化糾纏純化Bennett et al., PRL 76, 722 (1996)Pan et al., Nature 410, 1067 (2001)Pan et al., Nature 423, 417 (2003) 克服光子損耗：糾纏交換糾纏交換Zukowski et al., PRL 71, 4287 (1993)Pan et al., PRL 80, 3891 (1998)Pan et al., Nature 421, 721 (2003)量子中繼器方案量子中繼器方案Briegel et al., PRL 81, 5932 (1998) 克服概率性事件導致的資源

13、指數消耗： 沒有量子存儲沒有量子存儲 資源消耗資源消耗 1/PN 借助量子存儲借助量子存儲 資源資源消耗消耗 1/PPPDLCZ原子系綜量子中繼器原子系綜量子中繼器Duan et al., Nature 414, 413 (2001)量子中繼實驗進展n 高品質高品質的原子光子糾纏的原子光子糾纏 Chen et al., PRL 99, 180505 (2007)n 光子光子與原子比特間的量子隱形傳態與原子比特間的量子隱形傳態 Chen et al., Nature Physics 4, 103 (2008)量子中繼實驗進展n 穩定的穩定的量子中繼器方案量子中繼器方案Zhao et al., P

14、RL 98, 240502 (2007)n 量子量子中繼器的實驗演示中繼器的實驗演示 Yuan et al., Nature 454, 1098 (2008)量子中繼實驗進展n適合存儲的窄帶糾纏源適合存儲的窄帶糾纏源Bao et al., PRL 101, 190501 (2008)n量子量子存儲時間提高到存儲時間提高到1毫秒毫秒 Zhao et al., Nature Physics 5, 95 (2009)n解除頻率關聯的極化糾纏光子存儲解除頻率關聯的極化糾纏光子存儲Zhang et al., accepted by Nature Photonics (2011)storage time=

15、200 ns V=81% 正在開展的工作：長壽命高讀出效率的量子存儲n 長壽命量子存儲器及其讀寫長壽命量子存儲器及其讀寫接口接口 將對磁場不敏感的能級作為存儲能級 利用光晶格束縛原子 延長退相干時間，存儲壽命達到100ms 利用光學腔技術增大光子與原子的耦合強度 讀出效率達到90%哈密頓量相關參數可控哈密頓量相關參數可控原子內部態作為量子比特，易操縱和讀取原子內部態作為量子比特，易操縱和讀取成熟的冷卻和捕獲技術成熟的冷卻和捕獲技術光晶格形成周期性勢阱光晶格形成周期性勢阱光晶格與真實晶格的類比光晶格與真實晶格的類比Feshbach 共振調節原子間相互作用共振調節原子間相互作用隧穿相互作用固體中的

16、離子產生的勢光晶格產生的勢能量冷原子量子調控n 超晶格中產生多原子糾纏態超晶格中產生多原子糾纏態 一維超晶格n 高分辨單格點單原子測量、操高分辨單格點單原子測量、操控技術，操控多原子糾纏態進控技術，操控多原子糾纏態進行量子計算和模擬行量子計算和模擬BEC裝載到光晶格中正在開展的工作: 基于光晶格的量子計算和量子模擬 形成冷原子簇態進行單向量子計算 研究四體（多體）交換相互作用 拓撲量子計算帶電粒子的哈密頓量可以用規范勢表示(r)V(r)2mqp(p,r)2對冷原子模擬出此類哈密頓量，就可以利用中性冷原子模擬帶電粒子的行為理論方案：超冷原子與空間不均勻的Raman耦合，合成規范勢場n 利用超冷原

17、子模擬帶電粒子的行為利用超冷原子模擬帶電粒子的行為實驗進展：規范規范勢與合成磁場勢與合成磁場 Lin et.al., PRL 102, 130401 (2009) Lin et.al., Nature 462, 628 (2009)自旋自旋- -軌道耦合軌道耦合Lin et.al., Nature 417, 83 (2011)電場的產生電場的產生Lin et.al., arXiv: 1008.4864 (2010)正在開展的工作：模擬規范場光阱中的Rb-87 BEC轉變溫度：100nK BEC原子數: 2.0105原子密度: 1013/cm3 BEC等效溫度：10nK耦合強度：=4.25ErA

18、=0=0=-1.5Er=+1.5ErA0A0排斥相互作用排斥相互作用a0BEC:費米配對凝聚BCS: Cooper對凝聚在交叉光阱中蒸發冷卻在交叉光阱中蒸發冷卻 形成簡并混合氣體形成簡并混合氣體正在開展的工作: 基于光晶格的量子計算和量子模擬(費米子)n 把鋰鉀分子把鋰鉀分子BEC裝入光晶格裝入光晶格F 對異核費米費米混合在光晶格中 的BEC-BCS交叉區域進行研究n 開發新型的冷卻機制開發新型的冷卻機制n 研究低溫下的量子相變過研究低溫下的量子相變過程程n 模擬模擬晶體中的電子，晶體中的電子，研究凝聚態物研究凝聚態物 理基礎現象理基礎現象，掌握高溫超導機制掌握高溫超導機制溫度Mott絕緣反鐵磁反鐵磁隔離熵零原子蒸發熵高原子 低溫原子 n 把鋰鉀簡并混合氣體絕熱裝入光晶格把鋰鉀簡并混合氣體絕熱裝入光晶格F 控制鋰鉀在光晶格中填充的時候總數比1:1F 排斥相互作用下 研究超流-Mott絕緣相變過F 吸引相互作用下研究費米配對過程F 達到3%費米溫度正在