获得国家自然科学一等奖的“多光子纠缠和干涉度量学”是什么？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
获得国家自然科学一等奖的“多光子纠缠和干涉度量学”是什么？
本文作者:九维空间
获得2015年度国家自然科学一等奖的“多光子纠缠和干涉度量学”，到底是做什么的？图片来源：</
日，潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授等5人团队获得了2015年度国家自然科学一等奖，并在人民大会堂接受颁奖。5位老师均来自中国科学技术大学，他们是该奖项历史上最年轻的获奖团队，其中潘建伟、彭承志、陈增兵3位老师为70后，而陈宇翱和陆朝阳两位老师为80后。
国家自然科学一等奖是中国自然科学领域的最高奖项，很多耳熟能详的老一辈科学家历史上都作为过获奖人名列其中（见），但是因2014年获奖的“透明计算”存在较大争议，今年急需一个众望所归的团队来重新树立该奖项的声誉。恰好2015年初潘院士团队作为最大热门参加了该奖项的评选，并最终毫无悬念地得奖。
潘建伟院士的团队是世界上量子信息研究的领军者之一，在量子通信领域更是世界最强。与以往的历届国家自然科学一等奖相比，潘建伟团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃。截止到2015年，该团队成果3次入选了美国物理学会（American Physical Society）评选的“年度物理学重大事件”（The Top Physics Stories of the year），2次入选了英国物理学会（Institute of Physics）评选的“年度物理学重大进展”（Highlights of the year）。2015年年末更是被英国物理学会的Physics world网站评选为2015世界物理学十大进展第一名（Breakthrough of the Year），这在中国物理学界是史无前例的。
这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子产生纠缠。这是利用光子做量子隐形传态和量子计算的必要前提。而“干涉”就是实验上实现多光子纠缠的手段。潘建伟院士团队在量子通信和量子计算等多个方向上都取得了世界领先的科研成果，“多光子纠缠和干涉度量学”就作为其核心研究内容之一，贯穿始终。
介绍“多光子纠缠和干涉度量学”，首先需要介绍一下什么是量子纠缠。
量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”就是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，可以用一个量子比特来表示:
ΦA=a|0&A+b|1&A
（|&为狄拉克符号，代表量子态。a和b是任意两个复数，满足关系|a|2+|b|2=1，后同。）同时另一个粒子B也可以处于叠加态，即：
ΦB=a|0&B+b|1&B
当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，例如：
ΦAB=a|0&A|1&B +b|1&A|0&B
就是一个纠缠态：无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。
用薛定谔的猫做比喻，就是A和B两只猫如果形成上面的纠缠态：
无论两只猫相距多远，即便在宇宙的两端，当A猫是“死”的时候，B猫必然是“活”；当A猫是“活”的时候，B猫一定是“死”（当然真实的情况是猫这种宏观物体不可能把量子纠缠维持这么长时间，几亿亿亿亿分之一秒内就会解除纠缠。但是基本粒子是可以的，比如光子。）。
这种跨越空间的瞬间影响双方的量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)，并以此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的“定域性”原理。这就是著名的“EPR佯谬”。
但是后来一次次实验（即贝尔不等式实验）都证实量子力学是对的，量子纠缠就是非定域的，因此爱因斯坦的定域性原理必须舍弃。2015年的无漏洞贝尔不等式测量实验，基本宣告了定域性原理的死刑（见）。
最新的研究标明，微观的量子纠缠和宏观的热力学第二定律，甚至是时间之箭的起源都有着密不可分的关系（见）。
随着量子信息学的诞生，量子纠缠已经不仅仅是一个基础研究，它已经成为了量子信息科技的核心：例如利用量子纠缠可以完成量子通信中的量子隐形传态，可以完成一次性操作多个量子比特的量子计算。让更多的粒子纠缠起来是量子信息科技不断追寻的目标。
多光子纠缠和干涉度量学
有了量子纠缠的概念，就可以去理解“多光子纠缠干涉度量学了”。
多光子纠缠和干涉度量学就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。下图就是通过干涉形成双光子纠缠的方法：一个紫外光脉冲照射一种叫做BBO的晶体，可以有一定概率产生一对光子（记作o光子和e光子）。两个光子通过在偏振分束器（PBS）上的一次干涉，就可以形成一个纠缠态|HH&+|VV&（即当o光子是H偏振时，e光子一定也是H偏振，反之当o光子是V偏振时，e光子一定也是V偏振）。
双光子干涉和纠缠产生的光路示意图。图片来源：
如果这种把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加，扩展到更多的光子，就可以形成更多光子的纠缠。针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求，纠缠的光子数自然是越多越好。但是随着产生纠缠的光子数越多，干涉和测量的系统也就越复杂，实验难度也就越大。
潘建伟团队从2004年开始，通过一个个在国际上原创的多光子干涉和测量技术，一直保持着纠缠光子数的世界纪录。2004年在世界上第一个实现了5光子纠缠，2007年在世界上第一个实现了6光子纠缠，2012年在世界上第一个实现了8光子纠缠，并且保持该记录至今。
实现8光子纠缠的光路图。图片来源：
上图就是实现8光子纠缠世界纪录的光路图。每增加一个纠缠光子，光学干涉系统就要复杂一倍，纠缠的产生的难度会随着光子数指数上升。因此需要不懈努力克服种种实验困难，才能够多次打破自己保持的世界记录，在这个领域一直领先世界。我们在学生时代都视潘建伟老师为偶像，而现在的物理系学生们更直接称呼他为“潘神”了。于是这个8光子纠缠光路就像“潘神的迷宫”一样复杂，精巧，困难重重，但又引人入胜。
尽管“多光子纠缠和干涉度量学”获得了国家自然科学一等奖，但这仅仅是潘建伟院士团队的一部分工作。2016年，该团队承担研制的世界首颗“量子科学实验卫星”将发射升空，将实现世界首个星地间的量子保密通信和量子隐形传态。同时该团队主导建设的世界首个量子保密通信主干网络“京沪干线”也即将建成，将推动量子保密通信进入军事，银行，互联网数据中心等各个行业之中。
在量子计算领域，该团队不久前和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子计算联合实验室”，在保持光量子计算世界领先地位的同时,将大力推动我国量子计算整体研究水平（见）。我们有理由期待潘建伟院士的团队在未来会带给这个世界更多的惊喜。（编辑：）
J.-W. Pan, Z.-B. Chen, C.-Y. Lu, H. Weinfurter, A. Zeilinger and M. Zukowski, “Multiphoton entanglement and interferometry”, Reviews of Modern Physics, 84, 777 (2012)
X.-C. Yao, T.-X. Wang, P. Xu, H. Lu, G.-S. Pan, X.-H. Bao, C.-Z. Peng, C.-Y. Lu, Y.-A. Chen and J.-W. Pan, “Observation of eight-photon entanglement” Nature Photonics,6, 225 (2012).
Zhi Zhao, Yu-Ao Chen, An-Ning Zhang, Tao Yang, Hans J. Briegel, Jian-Wei Pan,“Experimental demonstration of five-photon entanglement and open-destination teleportation”, Nature 430, 54 (2004).
Chao-Yang Lu, Xiao-Qi Zhou, Otfried G?hne, Wei-Bo Gao, Jin Zhang, Zhen-Sheng Yuan, Alexander Goebel, Tao Yang, and Jian-Wei Pan, “Experimental entanglement of six photons in graph states”, Nature Physics 3, 91 (2007)
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“”现在再看十年前的文章感觉好有意思。
引用 的话：不明觉厉。。。。大概是“潘神”设计了一个迷宫，一个光子只要在这迷宫中走上一圈，就能多出7个8胞胎兄弟，而且这些兄弟不管距离多远，走路时左脚在前或是右脚在前都是永远保持一致的，只要测出其中一个的状态，就...如果有摔倒，我们就会知道。 这就是量子保密的原理，你不可能获取信息而不留下痕迹。 一旦发现这种痕迹，就立刻更改密码。
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全部评论(46)
不明觉厉。。。。大概是“潘神”设计了一个迷宫，一个光子只要在这迷宫中走上一圈，就能多出7个8胞胎兄弟，而且这些兄弟不管距离多远，走路时左脚在前或是右脚在前都是永远保持一致的，只要测出其中一个的状态，就知道其余7个肯定也是同样的状态？？？？？？要是有一个不小心摔倒了呢？？呃，好吧，文章中好像说过要在没有干扰的情况下。。。。
国家自然科学一等奖是中国自然科学领域的最高奖项，很多耳熟能详的老一辈科学家历史上都作为过获奖人名列其中（见），但是因2014年获奖的“透明计算”存在较大争议，今年急需一个众望所归的团队来重新树立该奖项的声誉。恰好2015年初潘院士团队作为最大热门参加了该奖项的评选，并最终毫无悬念地得奖。==
引用 的话：不明觉厉。。。。大概是“潘神”设计了一个迷宫，一个光子只要在这迷宫中走上一圈，就能多出7个8胞胎兄弟，而且这些兄弟不管距离多远，走路时左脚在前或是右脚在前都是永远保持一致的，只要测出其中一个的状态，就...如果有摔倒，我们就会知道。 这就是量子保密的原理，你不可能获取信息而不留下痕迹。 一旦发现这种痕迹，就立刻更改密码。
忽然想起了智子…来自
作为一名艺术生居然老老实实的看完了全文……来自
“”现在再看十年前的文章感觉好有意思。
引用 的话：“潘建伟如当选院士是中国的悲哀”现在再看十年前的文章感觉好有...当年有些报道吹的确实有点过了，但以当时中国的科学水平潘当院士也没什么问题，类似情况还有11g，矬子里面拔将军嘛。诺贝尔科学奖项，哪有那么好拿。
那些配图足以让我眼前黑几次了，不过文章的意思很好理解，敬礼来自
话说，网上，包括以科研人员的为主的科学网，经常能看到很多有头有脸的人指责潘是“骗子”，指责他的研究是“笑话”。由于说话者有一定分量，很多人（反正也看不懂）都拿来作为证据质疑潘。其实本质上潘只是中枪。量子传态的理论基础是量子纠缠，这才是很多批评者的真正靶子。而这就涉及“量子力学完备性”的问题，也就是爱因斯坦的“上帝不掷骰子”的问题，包括隐变量，定域实在性，贝尔不等式（事实上有些科学家认为贝尔不等式都否定不了定域隐变量！）等的争论都是关于这个问题。具体内容，可以看下量子力学发展史的书籍了解。
物理学博士
引用 的话：话说，网上，包括以科研人员的为主的科学网，经常能看到很多有头有脸的人指责潘是“骗子”，指责他的研究是“笑话”。由于说话者有一定分量，很多人（反正也看不懂）都拿来作为证据质疑潘。其实本质上潘只是中枪。量...你说的那些“认为贝尔不等式都否定不了定域隐变量”的“科学家”叫做民科
可问题是，如何长时间、远距离传输这个光子呢？这个问题解决了，不就只要两个光子纠缠不就行了么，8个是不是可以让七个常委都能收到消息呢？
物理学博士
引用 的话：可问题是，如何长时间、远距离传输这个光子呢？这个问题解决了，不就只要两个光子纠缠不就行了么，8个是不是可以让七个常委都能收到消息呢？纠缠数越多越有利于量子计算
引用 的话：“潘建伟如当选院士是中国的悲哀”现在再看十年前的文章感觉好有意思。 这些文章，很少有批评其学术水平的，都是质疑其做人不老实，骗经费，不是回国工作却硬说自己回国工作。 总之，其学术水平没的说。
题图是什么鬼。。。。。。
放弃吧，伟大的先知、预言家、未来理论学家、吹牛逼大赛（小学生组）冠军：刘慈欣已经说了，人类基础学科已经被智子锁死，有关结论发表在论文《论“文革”的影响力》（又名：三体）中。
引用 的话：如果有摔倒，我们就会知道。 这就是量子保密的原理，你不可能获取信息而不留下痕迹。 一旦发现这种痕迹，就立刻更改密码。公诉人：为什么不解密？你加密了，我们还怎么监管？技术无罪，呵呵。。去监狱蹲着吧
果然只要看到物理or天文相关的文章，楼下必然会看见三体厨……
1. 感觉这个难度并没有很高.... 如果我们能做，别人一样能做.... 再一次，没有任何原创的理论贡献2. 但愿不要变成“透明计算”...... 也许“2016年，该团队承担研制的世界首颗‘量子科学实验卫星’将发射升空，将实现世界首个星地间的量子保密通信和量子隐形传态。同时该团队主导建设的世界首个量子保密通信主干网络‘京沪干线’也即将建成，将推动量子保密通信进入军事，银行，互联网数据中心等各个行业之中”...... 总是给人一种不实在的感觉......
这分量听起来能得诺奖了
引用 的话：绝对安全么？？？？？俺给你来个“钵中之脑”式窃密：C在AB通讯线路上截取所有信号，然后迅速地把截获的信息同样以量子通讯或加密方式发出，从而达到截取信息并且不让AB双方发现的目的。。。。。反正处于两端的AB相距极远，转换时间可以看作线路延迟的话，他们没理由怀疑自己不是在跟真实的对方通讯的吧？？？？？？关键就在于，信息的拦截和发出必须在线路最大延迟允许的时间范围内，否则可能被精确计时装置识破。。。。。。
眼前一黑，然后我就看完了
我不懂，就问一个问题，有没有“解除光子纠缠”的可能，方法或者技术？
我觉得虽然实验不断证实量子的非定域性，但还是无法利用它来超光速传送信息，说明量子的行为仍然受到某种类似定域性原理的约束，只不过它可能不是爱因斯坦期望的样子而已。
另外一直难以理解的是，加密算法似乎应该是个纯数学问题，但现在竟然有个算法必须通过一个物理过程才能实现（量子加密没法用经典算法比如图灵机之类的来实现，而是必须借助真实的量子过程）。物理定律凌驾于数学之上！总觉得这背后隐藏着一个很大的秘密。
读完之后怎么完全没有真实感啊感觉是几十年后的技术。。。。哎，全面正版的时代啊。。。另外元器件是概率产生纠缠光子总感觉黑客们该从这方面去破解既然我无法在通讯过程中不留痕复制那我就从最开始引入第九个纠缠光子。。。。yy的
重点就是，量子力学的基本原理保证了“无干扰的读取信号”（这是实现“复制转发”的前提条件）是无法实行的。
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(C)2015果壳网&京ICP备号-2&京公网安备人民网：“多光子纠缠及干涉度量”获2015年度国家自然科学奖一等奖
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人民网：“多光子纠缠及干涉度量”获2015年度国家自然科学奖一等奖
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　　人民网上海1月8日电 （王文娟）今日，2015年度国家科学技术奖颁奖典礼在人民大会堂举办，其中“多光子纠缠及干涉度量”项目获得2015年度国家自然科学奖一等奖。
　　自然科学奖作为国家科学技术奖五项奖项之一，为中国自然科学领域的最高奖，旨在奖励那些在基础研究和应用基础研究领域，阐明自然现象、特征和规律，做出重大科学贡献的中国公民。此前，华罗庚、吴文俊、钱学森等均获此殊荣。
　　“多光子纠缠及干涉度量”项目由中国科大潘建伟院士带队，彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵共同完成，这是一支年轻的科研团队，彭承志为70后，陈宇翱、陆朝阳均为80后，该项目推荐单位是安徽省、中国科学院。
　　随着信息技术的进一步发展，窃听、黑客攻击成为信息安全的主要问题，量子力学在解决上述问题方面有望发挥重要作用。据介绍，“多光子纠缠及干涉度量”项目组成员长期从事量子力学基础问题实验检验，对光量子操纵方法进行了深入、系统的研究，系统地发展了多光子纠缠操纵技术，并创新性地应用于量子通信、量子计算、量子精密测量等多个研究方向，将量子保密通信技术真正带入实际应用。
　　在量子通信领域，2007年，项目组在国际上首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，打开了量子通信技术实用化的大门。据潘建伟介绍，目前，以该项目组为主要建设单位的远距离量子通信骨干网“京沪干线”项目正在建设之中，将建设连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地的广域光纤量子通信网络，预计2016年下半年建成。
　　2012年，项目组首次成功地实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发，并实现了星地量子通信的全方位地面验证，模拟了在卫星的各种运动姿态下进行星地量子通信的可行性。潘建伟说：“中科院启动了“量子科学实验卫星”先导专项，卫星预计在2016年下半年发射，将在国际上率先实现高速的星地量子通信并连接地面光纤量子通信网络，初步构建我国的广域量子通信体系。同时还将实现千公里级的远距离量子纠缠分发，从空间尺度上对量子力学非定域性进行实验检验。”
　　在可拓展的量子计算与模拟、量子精密测量领域，潘建伟希望5年内实现20-30个量子比特的相关操纵；10年左右实现50个量子比特的纠缠，实现量子计算机的基本功能。在此条件下，量子计算机在处理某些特定问题方面的计算能力将大大超越目前的经典超级计算机。
　　潘建伟表示，尽管实现真正意义上的通用量子计算机还比较遥远，但是专用于解决特定问题的量子模拟机非常有希望在5至10年内取得重大突破。
　　同时，在进行量子计算研究过程中发展起来的量子调控技术还可用以实现高精度的精密测量手段，将应用于自主导航、医学检验、物理学基本常数测定、引力波探测等领域。
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光子态光孤子自子有各自的状态,有自旋的,自旋有快有慢,有不自旋的,还有不同的色,不同的体积.光子的这些特征统称为光子态或光子常态.当光子参与律动---波动时它有时会保持自态而传递动态,有时会自态和动态一起传递而变成另一种态---激发态.
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