量子信息大躍進－18個量子位元的量子糾纏

潘建偉和他的合作夥伴在最近的《物理評論快訊》(Physical Review Letter)中揭示了18個量子位元的量子糾纏(entanglement)，這是他繼之前5、6、8、10量子位元量子糾纏紀錄的另一大躍進。如果潘建偉的名字聽來陌生，他是2017年被《Nature》列為世界十大重要科學人物的大陸科學家。

藉這機會細講一下量子位元與量子糾纏。傳統的二進位位元就是0與1兩種狀態，在電路設計中通常以電壓的高低或電荷的有無來表示。量子位元是0與1兩種狀態的線性組合，譬如一個量子狀態有2分之1的機會測量出來為0，另有2分之1的機會測量出來為1，這就是科普小說中愛談的半死半活薛丁格的貓。量子位元的量子態可以很多元，譬如是一個粒子自旋(spin；角動量的一部分)的向上或向下，一個粒子的空間模式(spatial mode，有時候指的是路徑向左或向右)，光子極化(polarization)的水平或垂直等，這些量子態都具有量子力學內在機率的特性。量子態可以實踐在超導體、量子點、離子陷阱、氮空位鑽石(nitrogen-vacancy diamond)、光子等材料上。

量子糾纏是量子計算與量子通訊的最基礎運作。基本上是操作兩個以上的量子位元，讓二者發生某種關連。舉個例子：兩個電子分別置放於A、B兩處，如果沒有特別預先準備，這兩個電子的自旋值為1/2，方向可能指向任一方向，而且兩者測量的結果互不相關。電子的自旋像個小磁矩，可以用外加磁場讓它們都指向上方，並且用低溫和隔絕手段，讓自旋的方向較長時間維持向上。在A、B之間置放一個光子分束器(beam splitter)，準備一個光子，讓其自旋1向下。當這個光子打到分束器，光子經過分束器後它的路徑是機率性的，有2分之1的機會讓光子轉向A、2分之1的機會讓光子轉向B。

當光子打到電子時，由於角動量守恆的原因，淨效應是將被打到的電子自旋翻轉向下為-1/2。位於A、B兩處的電子，其自旋值在未經測量前是未知的；在測量之後，有2分之1的機率A之自旋值為1/2、B為-1/2，另有2分之1的機率A之自旋值為-1/2、B為1/2。更有趣的是當單只是A或B一方電子的自旋值被測出後，另一方的自旋值也同時被自動決定。這就是利用光子不同路徑與兩個量子位元交互作用所形成的糾纏態。

潘建偉這次是利用光子的極化、路徑、角動量(自旋)3個量子的自由度將3對光子(6個光子)糾纏在一起，形成18個量子位元的糾纏態。這個實驗中形成糾纏態難、維持各量子位元的相干性(coherence)也難、測量各量子位元的量子數更難。這是量子糾纏形成方法的大躍進。

當然，用光子做為量子計算的量子位元為時尚早，所以由光子組成的量子糾纏態主要應用在量子通訊上。在量子通訊領域，大陸隱隱有超越美國之勢。也難怪美國DARPA現在正在執行的50計畫中，有5分之1是關於量子信息，包括QuASAR(量子輔助感測與讀取)、QuBE(生物環境的量子效應)、QUIST(量子信息科學與技術)、QUEST(量子糾纏科學與技術)、Quiness(巨觀量子通訊)。美國緊張了，我們的通訊產業呢？