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为什么“多光子纠缠和干涉度量学”能获得国家自然科学一等奖？: 热度 40 sturman 2016-1-11 13:39; 近日，潘建伟院士带领的中国科学技术大学团队的 “ 多光子纠缠和干涉度量学 ” 获得了 2015 年度国家自然科学一等奖，是中国自然科学领域的最高奖项。该团队也打破了国家自然科学一等奖历史上最年轻团队的记录。五位完成人按获奖顺序依次为潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授。其中潘建伟、彭承志、陈增兵三位为“ 70 后”，陈宇翱和陆朝阳为“ 80 后”。与以往的很多国家自然科学一等奖相比，该团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃，其成果 3 次入选美国物理学会（ American Physical Society ）评选的 “ 年度物理学重大事件 ” （ The Top Physics Storiesof the year ）， 2 次入选英国物理学会（ Institute of Physics ）评选的 “ 年度物理学重大进展 ” （ Highlights of the year ），最近被英国物理学会的 Physicsworld 网站评选为 2015 世界物理学十大进展第一名（ Breakthroughof the Year ）。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 ” ，细心的朋友会发现这就是潘建伟院士 2012 年在《现代物理评论》（ Reviewof Modern Physics ）杂志上发表的论文 “Multiphoton entanglement andinterferometry” 的译名。《现代物理评论》为物理学领域最顶级的综述杂志，仅向各个领域世界知名的物理学家约稿来介绍该领域最新进展。潘院士这篇综述也是中国科学家发表在该刊物的第一篇实验论文。在量子通信和量子计算等多个方向上，潘建伟团队都取得了世界领先的科研成果，而 “ 多光子纠缠和干涉度量学 ” 作为核心研究内容之一，贯穿始终。 “ 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。 -------------------------------------------------------------- 量子力学中 “ 纠缠 ” 指的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 : Φ A =a|0 A +b|1 A。另一个粒子 B 也处于叠加态： Φ B =c|0 B +d|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： Φ AB =ad|0 A |1 B + bc|1 A |0 B，就是一个纠缠态：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。在没有外界干扰的情况下，无论两个粒子相隔多远，纠缠态都可以存在，因此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（因为违反了他提出的 “ 定域性 ” 原理）。但是后来一次次实验都证实量子力学是对的，非定域的量子纠缠可以存在，定域性原理必须舍弃。随着量子信息学的诞生，量子纠缠成为了量子通信和量子计算的核心。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。 ------------------------------------------------------------- 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。在实验上，光子纠缠需要对光子源产生的光子通过各种光学干涉的方法来获取，这就是 “ 多光子纠缠 ” 和 “ 多光子干涉度量学 ” 成为一个整体课题的原因。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。如图 1 ，一个紫外光脉冲照射 BBO 晶体可以有一定概率产生一对光子（ o 和 e ），通过在偏振分束器（ PBS ）上的一次干涉， o 光子和 e 光子都可以形成水平偏振 H 和竖直偏振 V 的叠加态，于是 o 光子和 e 光子就形成了一个纠缠态 |HH+|VV （即 o 光子是 H 偏振时， e 光子一定也是 H 偏振，反之 o 光子是 V 偏振时， e 光子一定也是 V 偏振）。图 1 ，双光子干涉和纠缠产生的光路示意图（图片来自文献）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。潘建伟团队从 2004 年开始，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。图 2 是实现 8 光子纠缠的光路简图。由于光子产生和光学干涉测量的概率都是随着光子数指数上升，所以每增加一个纠缠光子，光学干涉系统就要复杂一倍，纠缠的产生难度也会随着光子数指数上升。该团队通过一个个在国际上原创的多光子干涉测量技术，经过不懈努力克服各种实验困难，才能够多次打破自己保持的世界记录，并将记录定格为 8 个。该团队以多光子纠缠技术为基础，在自由空间量子通信领域实现了世界首个百公里级的量子纠缠分发和量子隐形传态，在量子计算领域实现了世界上首个光量子 Shor 算法和拓扑量子纠错。图 2 潘建伟团队实现 8 光子纠缠的光路示意图（图片来自文献） “ 多光子纠缠和干涉度量学 ” 获得国家自然科学一等奖实至名归，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，源于该团队技术的世界首个量子保密通信主干网络 “ 京沪干线 ” 也即将建成。在量子计算领域，该团队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。有理由期待潘建伟院士的团队在未来会带给中国和全世界更多的惊喜。参考文献： J.-W. Pan, Z.-B. Chen, C.-Y. Lu, H.Weinfurter, A. Zeilinger and M. Zukowski, “Multiphoton entanglement andinterferometry”, 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, TaoYang, Hans J. Briegel, Jian-Wei Pan, “Experimental demonstration of five-photonentanglement and open-destination teleportation”, Nature 430, 54 (2004). Chao-Yang Lu, Xiao-Qi Zhou, Otfried Gšhne, Wei-Bo Gao, Jin Zhang, Zhen-ShengYuan, Alexander Goebel, Tao Yang, and Jian-Wei Pan, “Experimental entanglementof six photons in graph states”, Nature Physics 3, 91 (2007) J. Yin, J.-G. Ren, H. Lu, Y. Cao,H.-L. Yong, Y.-P. Wu, C. Liu, S.-K. Liao, F. Zhou, Y. Jiang, X.-D. Cai, P. Xu,G.-S. Pan, “Quantum teleportation and entanglement distribution over100-kilometre free-space channels”, Nature, 488, 185 (2012). C. -Y. Lu, D. E. Browne, T. Yang, and J. -W. Pan, “Demonstration of a CompiledVersion of Shor’s Quantum Factoring Algorithm Using Photonic Qubits”, Phys.Rev. Lett. 99, 250504 (2007) Xing-Can Yao, Tian-Xiong Wang, Hao-Ze Chen, Wei-Bo Gao, Austin G. Fowler,Robert Raussendorf, Zeng-Bing Chen, Nai-Le Liu, Chao-Yang Lu, You-Jin Deng,Yu-Ao Chen and Jian-Wei Pan, “Experimental demonstration of topological errorcorrection”, Nature 482, 489 (2012) 注：本文首发于微信公众号《赛先生》; 个人分类: 未分类|25299 次阅读|101 个评论

凑个热闹，点评一下国家自然科学一等奖: 热度 12 pukin 2014-1-24 22:30; 最近在科学网上，针对 2013 年唯一获的国家自然科学一等奖的项目“ 40K 以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”展开了热烈争论，支持和反对的观点都立场鲜明。在国家三大科技奖项——国家自然科学奖、国家发明奖、国家科技进步奖中，从获奖的条件、难度和学术含金量来说，一般认为自然奖高于发明奖，发明奖高于进步奖。而国家自然科学一等奖一向被认为是代表中国科学基础研究的最高水平，受到科技界的强烈关注也就在所难免，理所当然了。新中国成立 64 年，一共颁发了 30 项国家自然科学奖一等奖，平均一年不到一个。如果颁发情况可以以 2000 年为界的话， 2000 年之前，有 25 个项目获一等奖。而从 2000 年至今的 14 年中，只有 5 个项目获一等奖。国家自然科学一等奖的获奖条件：【在科学上取得突破性进展，学术上为国际领先，并为学术界所公认和广泛引用，推动了本学科或者相关学科的发展，或者对经济建设、社会发展有重大影响的，可以评为一等奖。】如果严格按照这个获奖条件是评的话，那么这 30 个一等奖恐怕有不少是名不副实的。那么这三十个一等奖里，有多少是名副其实的呢，我试着列几个争议不大的： 1 、钱学森的《工程控制论》钱老在这一领域是公认的大师，获一等奖应该是水到渠成吧。 2 、华罗庚的典型域上的多元复变数函数论华老是中国最好的数学家，给个一等奖名副其实。 3 、陈景润的哥德巴赫猜想当时陈的结果应该是世界最好的，获一等奖也是应该的。 4 、冯康的哈密尔顿系统的辛几何算法冯康先生的有限元也许更应该获得一等奖。 5 、王淦昌的反西格马负超子的发现王老在世界上首次发现反西格马负超子，给一等奖没问题。 6 、陆家羲在组合数学方面的成就一个中学老师，在组合数学领域取得了世界级的成就，一等奖可以给。 7 、李四光等人的大庆油田发现大庆油田的发现对中国社会经济发展意义重大，一等奖是必须的。 8 、梁思成的中国古代建筑理论及文物建筑保护的研究中国古建筑，世界独一份。至于 2000 年以后颁发的 5 个国家自然科学一等奖，如果严格按照评奖条件较真的话，不知道是否有争议。这五项一等奖是： 1 、 2002 年：有机分子簇集和自由基化学的研究 2 、 2003 年：澄江动物群与寒武纪大爆发 3 、 2006 年：介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用 4 、 2009 年：《中国植物志》的编研 5 、 2013 年： 40K 以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究; 个人分类: 观点评述|9113 次阅读|16 个评论

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