【多组份纠缠态光场是构建量子信息网络和量子计算机的一种基本资源, 最近一篇发表于《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版2014年第7期的文章, 综合评述了连续变量多组份纠缠态光场的实验研究进展.】

众所周知, 光具有波粒二象性. 连续变量量子信息科学以光场的正交分量为量子变量, 完成信息的处理和传送. 相对于其它量子信息技术, 它具有某些独特的优势. 光场的正交分量对应于光场复振幅的实部和虚部, 因此连续变量量子信息处理系统是利用量子化光场的类波动特性进行信息处理. 最近的研究显示, 多组份纠缠态光场为构建连续变量量子信息网络和进行量子计算研究提供了可利用的量子资源.

这篇名为《用于构建量子信息网络的多组份纠缠态光场的实验制备》的论文发表于《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》2014年第7期. 论文综述了连续变量多组份纠缠态光场制备方面的实验进展, 重点介绍了山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室彭堃墀教授领导的研究组在该领域的近期成果.

量子纠缠是实现量子信息处理的基本资源. 两组份纠缠是最小尺度的量子纠缠态, 其中两个子系统的量子态密不可分, 即使相隔遥远也相互关联, 好像有某种“超距”作用将它们联系在一起, “生死”相依. 正是利用这种神奇的量子“超距”关联, 量子信息才具有经典信息不可能具有的功能. 以两组份连续变量量子纠缠态为基础, 科学家们相继完成了量子态的远程离物传送、量子密集编码、量子纠缠交换和量子密钥分发等重要实验.

为了构建量子信息网络和开展量子计算研究, 需要制备子系统数目大于2的多组份纠缠态光场. 我们研究组于2003年首先制备了连续变量三组分纠缠态光场, 并实现了可控量子密集编码实验. 随后, 又在国际上率先实验制备了两种类型的连续变量四组份纠缠态光场, 并用它实现了量子计算机的基本操作——受控X门. 四组份纠缠态可以完成单个量子逻辑操作, 但不能执行更复杂的量子计算. 为了实现由多个逻辑门组成的量子计算, 需要制备包含更多组份的多组份纠缠态. 目前国际上最大尺度的空间被分离的、可操控的连续变量多组份纠缠态是由我们研究组制备的8组份cluster态. 利用这一实验成果, 我们实现了基于连续变量纠缠的量子计算逻辑门序列. 这种门序列是量子计算机的重要组成部分, 是实现量子算法的基本单元. 这个实验展现了通过逻辑门序列实现高斯量子计算的可行性, 向执行连续变量量子计算迈出了坚实的一步. 该成果发表在Nature Communications, 4, 2828 (2013).

除多组份单色cluster纠缠态光场之外, 在构建连续变量量子信息网络时还需要多色纠缠态光场, 以满足在网络通信中量子通道、量子信息处理和存储等单元对光波长的不同要求. 我们研究组在常温下制备了波长分别为852nm, 1550nm和1440nm的三色纠缠态光场. 其中852nm对应铯原子的吸收线, 可执行量子存储. 1550nm和1440nm分别对应和接近光纤的通信波段, 可用于量子信息的传送. 所制备的三色纠缠态光场为构建量子信息网络提供了必需的量子资源.

研究得到了国家自然科学基金的资助(批准号: 11322440, 11174188, 61121064)

原文链接：

SU X L, JIAX J, XIE C D, PENG K C, Preparation of multipartite entangled states used forquantum information networks. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics &Astronomy, 2014, 57(7): 1210-1217.