专栏名称: 中科院半导体所

半导体领域的行业动态、科技突破、权威发布、学术会议，同时也包括行业权威部门的招生、招聘信息等。

漫画 | 如何让50千米外的两个原子，产生量子纠缠

中科院半导体所 · 公众号 · · 2020-03-13 18:00

正文

请到「今天看啥」查看全文

这是Sheldon的第130篇漫画，所有图片大约 3.65 MB。

生活好了，人的要求也提高了。要是搁以前，“楼上楼下电灯电话”，做梦都要笑醒。

现在可不行。电影要看3D了，手机要连5G了，送快递要用无人机器了，就连厕所的马桶盖都要自带暖气了。

于是，科学家也开始对现在的量子纠缠方案，感到不满意了！

量子纠缠是一种资源

量子纠缠是啥？量子纠缠可重要了。

从理论的角度说，量子纠缠就是俩粒子不是各过各的，而是结拜兄弟，在量子层面存在很强的关联。

具体来说很复杂。你就暂时理解成，俩粒子形成量子纠缠后，只要测量其中一个，就相当于同时测量了另外一个。这俩是一个整体。

在实践的角度来说，量子力学就是一种资源。有了这个资源，你就能开展量子计算，开展量子保密通信，在未来，有可能创造巨大的社会财富。

这么好的东西，为啥科学家开始不满意了呢？

现有的量子纠缠方案，应用场景有限

科学家不是说对量子纠缠的原理不满意，而是觉得 现有的远距离量子纠缠方案，可应用的范围不够大。

现有的远距离量子纠缠都是用光子实现的。光子这玩意儿大家都知道，只能以光速运动，永远也不可能停下来。

这就造成了三个问题:

一，光子跑的越远，衰减就越厉害，传输效率太低。

这就好比快递员不靠谱，你寄1000个快递，他能给你弄丢999个。

（美编：山小魈，难道你的快递也在路上被烧了？）

二，光子停不下来，它携带的量子信息也就停不下来。 这就导致其中的量子信息没法在一个地方存储。这就好比你有个快递，每天在天上飞，你第二天一觉醒来都不知道上哪儿找去。

三，要想读取光子的信息，就要把光子吸收掉，这也就是进行破坏性测量。 这就好比你买了个U盘，只能读一次数据，读完以后U盘就坏了，你下次还得重新买一个，天天都得叫快递。

你看，要是继续沿着原来的思路走，量子纠缠要么就是不能出村。

就算出了村，运行效率也会很低。所以，科学家决定换一个思路：

如何让两个原子形成量子纠缠？

2019年12月，中国科学技术大学潘建伟、包小辉和张强，联合济南量子技术研究院、中科院上海微系统所的合作者，分别在22千米（室外）和50千米（室内）的距离上，用两种方法，让两地的原子产生了量子纠缠。他们的研究结果发表在了《Nature》（自然）杂志上。

为了说明实验原理，我们先来看看，如何让两个原本不纠缠的粒子，产生量子纠缠。这通常有两招：

第一招： 让俩粒子发生相互作用

这个道理很简单。假如有一个原子，有一个光子。用光照一下原子，它们就有一定概率产生量子纠缠。研究组的第一步就是这么做的。

第二招： 进行特殊测量

这个道理稍微有点儿复杂。这有点儿像，你脚底打滑摔了一跤。我可以说是你主动撞地球了，你可以说不知道咋回事，是地球主动撞你了。到底是谁主动，这是个相对的概念；你从不同的角度看，结论就会不一样。

俩粒子的关系也是一样的。你要是从一个角度看，这俩粒子没纠缠。你要是从另一个角度看，不得了了，俩粒子居然同时处于2种相互矛盾的纠缠态。

这个时候，科学家只要从纠缠的角度进行测量，就会让这俩粒子真的产生纠缠。研究组的第二步就是这么做的。

如何让相距50千米的两个原子发生量子纠缠？

所以，研究组就是通过联合使用这两招，让相距50千米的两个原子形成了量子纠缠。不过，实验的具体原理很复杂。这就相当于网上那个画马的教程，我刚说了开头怎么画，现在要踩油门，进行思维加速了，直接跳到马画好的样子了。

所以，请各位乘客抓好门把手，系好安全带。

首先，以上说的办法不能直接用。为啥？因为俩原子不在一个地，不可能直接发生相互作用，所以第一招不能直接用。俩原子不在一个地，不可能同时对他们测量，所以第二招也不能直接用。

研究组心想，这就好比俩黑帮谈判。俩大哥不在一个地，但是可以派俩小弟到一个地谈，谈完了大哥再签字承认不就完了？

所以，我们可以让俩原子派俩小弟，让这俩小弟跑到一个地接受测量。由于量子纠缠有个特性，就是俩粒子结拜兄弟了，存在很强的关联。你要是测了其中一个，就等于同时测了俩。

你要是让俩小弟跟大哥之间有纠缠，那么如果俩小弟之间形成了新的纠缠，就可以同时让俩大哥之间也形成新的纠缠。

想明白这件事，具体的实验就好办了。研究组先是用第一招，让A地和B地的两个原子，分别和两个光子形成量子纠缠。这俩光子就是小弟。

然后，研究组让俩光子来到A和B的中间，然后通过第二招，让它们形成新的量子纠缠。

于是，另外俩原子也同时被测量搞得形成新的纠缠了。

不过，这只是研究组使用的第一种方法，叫作“双光子” 方案。

在此基础上，研究组还使用了另一种“单光子”方案，并将纠缠距离延长到了50千米。这两种方案的思路是一样的，只是光子和原子纠缠的具体形式不同。在这个方案中，纠缠中的光子处于一种“既生又死”的叠加态中。

虽然这么做会增加实验难度，但也有好处。这俩“半死不活的光子”只要有一个活着把信儿送到，纠缠就能形成。

因此，“单光子”方案的纠缠成功率更高。

于是，量子纠缠终于成功出村了！

迈出“量子互联网”基础设施的第一步

看到这儿，你可能有问题。这俩原子才距离50千米，也就是出了村刚到乡里。

其实，这里的关键在于，原子不会乱跑，是一种不动产。它可以像互联网的中继器一样，老老实实待在一个地方，收到信息就存起来，需要发送的时候再发出去，不会动不动玩消失，也不会只用一次就坏了。

这是整天乱跑的光子做不到的。

所以，这个实验相当于说，他们做出了一个能出村的1量子比特的中继器。将来要去市里、省里都好办，多弄几个量子比特，再多弄几个交换器，一个节点一个节点连过去就好了。

也许到了将来的某一天，科学家可以用类似的思路，铺设一套“量子互联网”的基础设施，让远距离、大规模、安全交换量子数据成为可能。

（美编：山小魈，创造财富不是这么来的。）

注：

在这个实验中，科学家不是用一个原子携带一个量子比特，而是用1亿个原子组成一个系统，让它们来模拟一个原子。而且，这两团原子并没有相距那么远。实验里说的几十千米，其实是光子在光纤中传播的距离。研究组的下一步计划，就是要把两团原子真正分开几十千米这么远。
实验中，研究人员还将光子的波长进行了“量子频率转换”，让它们变得能够以更低的损耗在光纤中传播。
用原子纠缠做中继器，如果距离太远，也会发生衰减。但这种衰减是“多项式级”的，比光子纠缠的“指数级”衰减要靠谱的多。

参考文献：

1. Briegel H J, Dür W, Cirac J I, et al. Quantum repeaters: the role of imperfect local operations in quantum communication[J]. Physical Review Letters, 1998, 81(26): 5932.
2. Duan L M, Lukin M D, Cirac J I, et al. Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics[J]. Nature, 2001, 414(6862): 413.

3. Zhao B, Che n Z B, Chen Y A, et al. Robust creation of entanglement between remote memory qubits[J]. Physical review letters, 2007, 98(24): 240502.

4. Kimble H J. The quantum internet[J]. Nature, 2008, 453(7198): 1023.
5. Yu Y, Ma F, Luo X Y, et al. Entanglement of two quantum memories via fibers over dozens of kilometres[J]. Nature, 2020.

End

作者： Sheldon

绘制： Mirror 、淡淡

美指：牛猫

排版： Mirror

鸣谢： 于勇、包小辉、张强、徐凭

编辑｜须臾