潘建伟发表哪些论文

中国科学技术大学近日演示了两个量子存储器相距50公里的纠缠，为解决大规模量子互联网的关键技术问题提供了思路。此前，两个固定节点之间的量子纠缠始终无法超越1.3公里的距离。 相关论文于2月13日凌晨发表在世界顶级学术期刊、英国《自然》杂志上。中科大教授潘建伟、包小辉、张强为文章的通讯作者。 量子是物理学中不可再分的基本单元，比如，光子就是量子性的，不存在“半个光子”的说法。在这个微观世界里，科学家们发现了许多奇妙的特性，量子通信、量子计算等概念基于此发展起来。 量子纠缠就是其一，爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变(比如人们对其进行测量)，另一个的状态会瞬时发生相应改变，仿佛“心灵感应”。 虽然理论上是这样，但如果要建成大规模的量子互联网络，保证两个遥远的节点保持这样精妙的纠缠态，仍存在许多技术上的挑战。 自上个世纪70年代以来，物理学家们开始尝试远距离量子纠缠分发，即把处于纠缠态的光子分发到两处。 早在2005年，潘建伟团队就在合肥大蜀山实现了13公里的量子纠缠分发。2012年，该团队又在青海湖实现了首个超过102公里的量子纠缠分发实验。2017年，利用世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”，他们创下了世界量子纠缠分发距离的纪录，达到1200千米。 不过，这样的星地量子纠缠分发造成的传输损耗很大，在实际应用上有很大挑战。若要让光子在远距离光纤上传输，也会出现严重的损耗，限制分发的成功率。 论文提到，一个解决方案是，在两个远距离节点上各自制备量子存储器(某种可以储存量子态的物质)和一个光子的纠缠，再把这两个光子传输到一个共同的中间节点。对这两个光子进行适当的测量操作后，就能把原节点上的两个量子存储器投射成远程纠缠态。 此前，国际科学家们曾用原子团簇、原子、金刚石中氮空位色心、离子阱等系统作为量子存储器进行操作，但最好的结果也只有1.3公里。 论文指出，想把纠缠距离拓展到城际规模，存在三个主要的挑战。一是获得“明亮”(即有效)的物质-光子纠缠，二是减少传输损耗，三是实现长距离光纤中稳定的高可见干涉。 针对以上挑战，研究团队利用一种名为腔增强的量子效应来制备明亮的原子团簇和光子纠缠。他们在中科大校园内设置了两个这样的节点，再把两个信使光子通过两条平行的11公里长光纤传输到中间节点——合肥软件园。 为了减少传输期间的光子损耗，研究团队利用量子频率转换技术，将光子从近红外频率转换为适合于电信传输的频率。最后，他们在双光子干涉机制下实现了两个量子节点的纠缠，等于说跨越了22公里。 接下去，中科大团队又更进一步，在单光子干涉机制下，让两个由50公里长光纤连接的节点实现了纠缠，达到了城际尺度。 论文乐观地判断，把更多类似距离的节点连接起来，这个实验就可以拓展成一个量子网络的功能单位，为建立大规模的量子互联网做好了铺垫。

一周内两次登上国际科学期刊，中科大潘建伟团队太“忙”了！

6 月 15 日，《Nature》杂志刊登了潘建伟团队主导的量子通信研究《基于纠缠的千公里级安全量子加密》。

6 月 18 日，《Science》杂志以“First Release”形式刊登了潘建伟、苑震生在超冷原子量子计算和模拟研究的最新进展，题为“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光学晶格中冷却和纠缠超低温原子》。

雷锋网注：图片截自 Science

在后者这项研究中，研究人员实验了首次提出的冷却新机制，实验后使系统的熵 降低了 65 倍 ，达到了创纪录的低熵。

在此基础上，研究团队在光晶格中 首次实现了 1250 对原子高保真度纠缠态的同步制备，保真度为 99.3%。

在量子计算领域，量子纠缠被视为核心资源，随纠缠比特数目的增长，量子计算的能力也将呈指数增长。

因此， 大规模纠缠态的制备、测量和相干操控成为了量子计算研究的核心问题。

通常情况下，实现大规模纠缠态要先同步制备大量纠缠粒子对，再通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。

由此， 高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。

在实现量子比特的物理体系中，由于具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超导比特被视为最可能率先实现规模化量子纠缠的系统。

早在 2010 年，中科大研究团队就与德国海德堡大学展开了合作，对基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息处理展开联合攻关。

研究人员开发了具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的双阱势。

不仅如此，每个双阱势用光场产生了有效磁场梯度，结合微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。

据量子物理和量子信息研究部的说法，在早期研究中，研究团队使用 Rb-87 超冷原子制备了 600 多对保真度为 79% 的超冷原子纠缠态并使用该体系调控特殊的环交换相互作用产生四体纠缠态，模拟了拓扑量子计算中的任意子激发模型。

但由于 晶格中原子的温度偏高，使其填充缺陷大于 10%， 不利于形成更大的多原子纠缠态和提升纠缠保真度。

因此，光晶格超冷原子比特系统需要进一步提升。

论文指出，研究团队首次提出了新制冷机制，即利用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中，通过绝缘态和超流态之间高效率的原子和熵的交换，以超流态低能激发的形式存储系统中的热量，再用精确的调控手段移除超流态，从而获得低熵的填充晶格。

基于此，研究人员在一个具有 10000 个原子的量子模拟器展开了实验。在二维平面上，研究人员将莫脱绝缘体样品浸泡在可移动的超流体储层中使其冷却。

雷锋网注：图为光晶格中原子冷却的示意图

结果显示，制冷后使系统的熵达到了创纪录的低熵， 降低了 65 倍 ，不仅如此， 晶格中原子填充率大幅提高到 99.9% 以上，达到近乎完美的程度。

在这一制冷基础上，研究人员进一步推进研究。

研究人员开发了两原子比特高速纠缠门，最终 获得了纠缠保真度为 99.3% 的 1250 对纠缠原子。

对此，研究人员表示，其研究为 探索 低能量多体相提供了一个环境，使产生大规模的纠缠更具可能性。

另外，对于这一研究结果，《Science》杂志的审稿人给与了正面评价：

超冷原子量子计算和模拟研究之所以能取得新突破，离不开以潘建伟、苑震生为主导的研究团队，而从其过往的研究经历来看，二位来头不小。

潘建伟

潘建伟，有“量子之父”之称，是“墨子号”的首席科学家。主要从事量子物理和量子信息等方面的研究，是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，同时也是该领域具有重要国际影响力的科学家。

虽然一周连登两次国际期刊，但潘建伟的高光，远不止如此；不仅多次登上国际期刊，还屡次创下记录，主要包括：

苑震生

苑震生，中国科学技术大学教授，其研究方向包括超冷原子量子调控、量子光学，以及原子分子物理。

据量子物理与量子信息研究部官方介绍，苑震生教授在国际权威学术期刊上发表研究论文多达 40 余篇，总引用 2000 次。

其中包括：

·······

尽管这些“最可爱的人”已取得了许多成就，但他们仍未停歇，不断用新的研究成果刷新着我国在量子计算和模拟的进步。

期待更多的研究成果的发布，雷锋网也将持续关注。

参考资料：雷锋网

【1】

【2】

【3】