探寻量子世界的奥秘
题图：8月13日，在中科大固态量子中继研究室，科研人员进行固态量子中继实验的存储器测试。本报记者 徐旻昊 摄
本报记者 桂运安
量子力学奠基人波尔曾说：“如果谁不对量子论感到困惑的话，那他就没有真正地理解量子论。 ”然而，不可思议和“诡秘”的量子世界，并不能阻挡人们对未知世界的探索，相反越是神秘越是吸引了一批又一批科学家前仆后继，在“第一次量子革命”中催生了激光、晶体管、全球卫星定位系统等一系列改变世界面貌的重大发明。如今，在“用量子信息技术研究量子物理”的“第二次量子革命”中，中国科学技术大学郭光灿院士团队的一批青年科学家，正筑梦神奇量子世界，在量子资源转化、量子精密测量、量子存储等领域取得一系列重要进展。
循环转化的量子资源
理论上不可破译的量子通信，具有超强并行计算能力的量子计算机，可以实现信息瞬间转移的量子隐形传输……在神奇的量子世界，这些已经实现或者正在努力实现的量子信息技术，正在改变着人们的生活。 “无论量子通信、量子计算，还是量子精密测量，都离不开量子相干性等这些最基本的量子资源。 ”8月9日，中科大郭光灿院士团队李传锋教授告诉记者。
最近，中科大郭光灿院士团队李传锋、项国勇研究组与合作者提出量子相干性与量子关联之间的循环转化方法，并在光子系统中实验验证了该方案。他们设计的光学实验实现了一次循环转化的过程，实验中初始A粒子的相干性有86%被转化成量子关联，完成第二步即A与B之间的量子关联再次转化成A粒子的相干性后，A粒子的相干性为初始时相干性的80%。成果8月2日在线发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。审稿人认为，这是一个里程碑式的工作，会极大地促进量子相干性与量子关联的相关研究。
不同物理资源之间转化，是物理学研究的重要内容。 “第一次工业革命中，瓦特蒸汽机的发明，就是将热能转化成动能，这一转化开创了以机器代替手工劳动的时代。 ”项国勇教授说，量子相干性、量子关联等量子资源不仅对量子力学基本问题研究有着重要作用，而且在各种量子任务中也扮演不可或缺的角色，因此它们之间的相互转化的研究有着非凡的意义。
“量子世界与经典世界最大的区别就是量子相干性。 ”李传锋说，经典的东西没有相干性，比如桌上的两个矿泉水瓶，一个在左、一个在右，绝对可以区分。但在量子世界，它们可以处于左或右的叠加状态，这就是相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，在0和1的二进制系统上运行，但是量子比特，除了0和1之外，还可以处于0和1的各种相干叠加状态。
在微观世界中，具有共同来源的两个微观粒子，即使隔着太阳系，只要测量其中一个粒子状态使其发生变化，另一个粒子状态也会立即发生相应变化，这就是被爱因斯坦称作“幽灵般的超距作用”的“量子纠缠”。“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎，长得分不清彼此；他们心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。 “量子纠缠是量子关联的一种，在量子计算、量子纠缠网络等领域，有着不可替代的作用。 ”项国勇表示，量子资源循环转化意义重大，一旦找到量子世界最基本的资源，就如同统一量子世界“度量衡”，今后更可以转换成其他急需的量子资源。
突破极限的精密测量
“与量子通信、量子计算相比，量子精密测量研究在我国刚刚起步，但非常重要、非常有用。 ”李传锋介绍，从理论上来说，用量子精密测量的办法，可以很容易超过经典测量精度极限。
量子精密测量主要利用量子资源和效应，实现超越经典方法的测量精度，通过该技术可以实现新一代定位导航、激光制导、水下定位、医学检测等。 “用量子精密测量的方法来测量磁场，原则上其精度可以比经典方法高几个量级，那潜水艇、隐形飞机、地下矿藏等都有办法‘看到\’，还能发现很多过去发现不了的现象，那就了不得了。 ”李传锋解释说，潜水艇、隐形飞机等的运动会引起磁场的变化。另外现在的潜水艇，隔一段时间就要浮上水面校准位置，随着量子精密测量技术的发展，拥有量子陀螺仪和加速度计的潜水艇有望在水下呆几个月不会迷航。
今年以来，在量子精密测量领域，李传锋小组不断突破测量精度纪录。年初，他们实现了海森堡极限精度的单光子克尔效应测量，这是国际上首个在实际测量任务中达到海森堡极限精度的工作，可利用的光子数达到10万个。这种方法无需利用纠缠等量子资源，所用探针来源于常规的激光脉冲，实验中光子的利用率约为16%，比此前经典方法测量的最高精度提高了两个量级。
“目前，经过几个月的努力，我们在实验中已经把光子的利用率从16%提升到83%。 ”李传锋透露，对单光子克尔效应测量精度已超过经典方法测量精度近3个量级。下一步，他们将努力把这一量子精密测量技术推广到多个方面，比如测量磁场、电场、温度等更日常的物理量。
天文望远镜，是人类探寻宇宙的奥秘的“利器”。2016年，位于贵州的中国“超级天眼”正式启用，这是世界最大的射电望远镜，将会帮助人类探索更多来自遥远星球的奥秘。 “但普通的天文望远镜，由于受经典物理的限制，其分辨率达到极限后就很难提升，这时量子精密测量技术的优势就会显现出来。 ”项国勇说，美国科学家用经典手段探测到引力波后，已经开始着手发展量子精密测量的方法来探求引力波的秘密。 “我们目前正在进行一项研究，发现同样大小的望远镜，利用量子精密测量的方法看星星，可以看得更远、更清晰，这非常有前景。 ”
令人期待的量子优盘
信息的存储，是人类文明传递的重要手段。在经典信息时代，优盘给人们的工作和生活带来了极大方便。但普通优盘只是与经典计算机匹配，量子优盘则可以匹配量子计算机。
由经典信息时代走向量子信息时代，量子存储器是必不可少的基础器件。建立大尺度量子网络，构建量子计算机，都需要稳定、高效、长寿命的量子存储器。 “由于量子信息在光纤中传递，其信号会逐步衰减，因此地面量子通信网络，中间都需要建立中继节点，目前这些节点需要人工来操作，这就存在安全隐患。 ”李传锋介绍，用量子中继代替人工操作将能有效保护量子通信网络节点安全，但制造量子中继器，需要高效的量子存储器。
“对于传输量子信息来说，除了具有量子中继的光纤网络外，量子优盘是一个很好的补充。 ”李传锋说，就安全性能来说，量子优盘理论上是绝对保密的，存在优盘里的量子信息是不可克隆的，这是量子力学保证的。虽然，我国目前已经发射了“墨子号”量子科学实验卫星、建成了千公里级量子保密通信“京沪干线”，但传输量子信息仍然存在诸多限制，有很多地方送不到，而量子优盘携带方便，具有不可替代的作用。
“目前，我们做出来的量子优盘存储寿命已达到5个小时，近期有望实现10个小时的存储寿命。 ”李传锋介绍，把量子信息存储到量子优盘里，通过汽车、高铁、飞机等交通工具，就能将量子信息送到很多地方。但他同时坦言，仍然还有很多技术难题需要攻关，比如下一步要将量子信息“存储进去”，然后“读出来”；再让量子优盘“移动起来”，最后实现长程化、小型化。
“明年，我们希望把量子优盘动起来，并完成量子信息的写入和读出。 ”李传锋表示，他们近期还完成了多自由度存储实验，演示了时间、频率、轨道角动量3个自由度的存储，并完成了不同模式间的变换，这些都是量子中继和量子优盘的关键技术。 “另外，量子存储技术的突破，将会促进第二次量子革命的进程，这里有很多的量子物理基本问题值得探索。比如把纠缠光子对分别存储到两个量子优盘中，然后把它们运输到相距一千公里的两个地方，那么我们就会发现这相距一千公里的两个量子优盘是纠缠在一起的。 ”
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