我室學者在光學量子計算領域取得系列重要進展
上一篇 / 下一篇 2008-05-24 01:23:56/ 個人分類：研究進展
最近，來自中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的潘建偉教授和他的同事楊濤、陸朝陽等在剛剛出版的美國權威物理學期刊《物理評論快報》上發表論文，在國際上首次利用光量子計算機實現了Shor量子分解算法。這一成果標志著我國的光學量子計算研究達到了國際領先的水平。
量子分解算法是在1995年由美國科學家Peter Shor提出來的，是量子計算領域至今最為著名的算法。這個算法利用量子計算的并行性，可以快速分解出大數的質因子，使得量子計算機將能夠破解目前廣泛使用的密碼如RSA公鑰加密系統，嚴重威脅到銀行、網絡和電子商務等的信息安全。因此，Shor算法的提出迅速掀起了世界各國對量子計算研究的巨大熱情和大量資金投入，對現代經濟、尤其是國家安全有著極其廣泛和深遠的影響。
Shor算法在量子計算機上的實驗實現一直是國際公認的難題。在2001年，美國IBM公司和斯坦福大學合作利用核磁共振技術演示了分解15的實驗。但是，由于核磁共振的固有缺陷，他們的實驗不能顯示該算法的量子本性，也無法擴展到更多比特，限制了其進一步的應用。
為了實現真正具有量子特性的Shor算法，潘建偉小組選擇光子比特這樣一種抗退相干能力強、單比特操縱精確的物理體系，系統地發展了一套國際領先的多光子相干操縱和糾纏態制備的實驗技術。通過艱苦的方案設計和實驗摸索，潘建偉等與英國牛津大學同事合作，在國際上首次用光子比特，也是首次用真正的純態量子系統，實驗演示了關鍵性的Shor算法，實現了15=3×5這一質因子分解，并且確認了量子計算中多體純糾纏的存在，驗證了量子加速的根源問題。
潘建偉等的這一工作獲得了國際學術界的廣泛關注和認可。麻省理工學院教授Seth Lloyd評價該實驗是“邁向光學量子計算的必要一步”。美國物理學會以“量子計算的重大突破”為題發布新聞稿，稱贊“這一富有創造性的工作將有助于進一步應用于物理化學建模和超快搜索”。英國科技新聞雜志《新科學家》以“量子計算威脅我們的機密數據”為題對實驗做了長篇報道，稱：“出現能運行Shor算法的量子計算機具有極為深遠的意義：這意味著未來量子計算將能夠輕松的破解我們銀行帳號，商業和電子商務數據使用的密碼。”此外，美國的《科學新聞》、德國的《創新報導》等其它多家科學期刊和網站也紛紛報道了該工作。
“分解15是一個非常簡單的數學問題，但是，我們在光學量子計算機上第一次實現這個事情還是很有意義的。”潘建偉說，“盡管現在的量子計算機還顯得非常的粗糙幼稚，就像是一個蹣跚學步的嬰兒。然而，一旦發展成熟，它的計算能力將超越所有的經典計算機。”潘建偉教授這樣告訴我們。
據悉，為了提高我國在量子信息這一高新領域的自主創新能力，潘建偉小組在中國科學院、科技部“973”項目和“量子調控”重大科學研究計劃、國家自然科學基金委等經費支持下，圍繞“光學量子計算的物理實現”這一核心課題，耕耘多年，取得了一系列驕人的成果。在今年年初，潘建偉小組在《自然·物理》上發表論文，成功制備了國際上糾纏光子數最多的“薛定諤貓”態和單向量子計算機，刷新了光子糾纏和量子計算領域的兩項世界記錄，成果被歐洲物理學會和《自然》雜志等廣泛報道。在四月份，該小組提出并實驗實現不需要糾纏輔助的新型光學控制非門，減少了量子網絡電路的資源消耗。九月，該小組利用光子“超糾纏簇態”演示了單向量子計算的物理過程，實現了量子搜索算法，論文也發表在《物理評論快報》上。
這一系列高質量的工作已經獲得了國際學術界的廣泛關注和認可。2007年3月，潘建偉教授應邀和美國UIUC大學教授P. Kwiat，NIST教授D. Wineland，維也納大學教授A. Zeilinger一起在美國物理年會新聞發布會上介紹了量子信息的最新進展。潘建偉教授還應邀在美國《光學和光子新聞》刊物上撰寫了關于光學量子計算最新進展的綜述文章。特別引人注目的是，11月16號出版的英國《新科學家》雜志在“中國崛起”的專欄中，以“量子比特的操縱能手”為題專門介紹了該小組在量子計算領域取得的一系列成就。
原文發表于2007年12月19日
量子分解算法是在1995年由美國科學家Peter Shor提出來的，是量子計算領域至今最為著名的算法。這個算法利用量子計算的并行性，可以快速分解出大數的質因子，使得量子計算機將能夠破解目前廣泛使用的密碼如RSA公鑰加密系統，嚴重威脅到銀行、網絡和電子商務等的信息安全。因此，Shor算法的提出迅速掀起了世界各國對量子計算研究的巨大熱情和大量資金投入，對現代經濟、尤其是國家安全有著極其廣泛和深遠的影響。
Shor算法在量子計算機上的實驗實現一直是國際公認的難題。在2001年，美國IBM公司和斯坦福大學合作利用核磁共振技術演示了分解15的實驗。但是，由于核磁共振的固有缺陷，他們的實驗不能顯示該算法的量子本性，也無法擴展到更多比特，限制了其進一步的應用。
為了實現真正具有量子特性的Shor算法，潘建偉小組選擇光子比特這樣一種抗退相干能力強、單比特操縱精確的物理體系，系統地發展了一套國際領先的多光子相干操縱和糾纏態制備的實驗技術。通過艱苦的方案設計和實驗摸索，潘建偉等與英國牛津大學同事合作，在國際上首次用光子比特，也是首次用真正的純態量子系統，實驗演示了關鍵性的Shor算法，實現了15=3×5這一質因子分解，并且確認了量子計算中多體純糾纏的存在，驗證了量子加速的根源問題。
潘建偉等的這一工作獲得了國際學術界的廣泛關注和認可。麻省理工學院教授Seth Lloyd評價該實驗是“邁向光學量子計算的必要一步”。美國物理學會以“量子計算的重大突破”為題發布新聞稿，稱贊“這一富有創造性的工作將有助于進一步應用于物理化學建模和超快搜索”。英國科技新聞雜志《新科學家》以“量子計算威脅我們的機密數據”為題對實驗做了長篇報道，稱：“出現能運行Shor算法的量子計算機具有極為深遠的意義：這意味著未來量子計算將能夠輕松的破解我們銀行帳號，商業和電子商務數據使用的密碼。”此外，美國的《科學新聞》、德國的《創新報導》等其它多家科學期刊和網站也紛紛報道了該工作。
“分解15是一個非常簡單的數學問題，但是，我們在光學量子計算機上第一次實現這個事情還是很有意義的。”潘建偉說，“盡管現在的量子計算機還顯得非常的粗糙幼稚，就像是一個蹣跚學步的嬰兒。然而，一旦發展成熟，它的計算能力將超越所有的經典計算機。”潘建偉教授這樣告訴我們。
據悉，為了提高我國在量子信息這一高新領域的自主創新能力，潘建偉小組在中國科學院、科技部“973”項目和“量子調控”重大科學研究計劃、國家自然科學基金委等經費支持下，圍繞“光學量子計算的物理實現”這一核心課題，耕耘多年，取得了一系列驕人的成果。在今年年初，潘建偉小組在《自然·物理》上發表論文，成功制備了國際上糾纏光子數最多的“薛定諤貓”態和單向量子計算機，刷新了光子糾纏和量子計算領域的兩項世界記錄，成果被歐洲物理學會和《自然》雜志等廣泛報道。在四月份，該小組提出并實驗實現不需要糾纏輔助的新型光學控制非門，減少了量子網絡電路的資源消耗。九月，該小組利用光子“超糾纏簇態”演示了單向量子計算的物理過程，實現了量子搜索算法，論文也發表在《物理評論快報》上。
這一系列高質量的工作已經獲得了國際學術界的廣泛關注和認可。2007年3月，潘建偉教授應邀和美國UIUC大學教授P. Kwiat，NIST教授D. Wineland，維也納大學教授A. Zeilinger一起在美國物理年會新聞發布會上介紹了量子信息的最新進展。潘建偉教授還應邀在美國《光學和光子新聞》刊物上撰寫了關于光學量子計算最新進展的綜述文章。特別引人注目的是，11月16號出版的英國《新科學家》雜志在“中國崛起”的專欄中，以“量子比特的操縱能手”為題專門介紹了該小組在量子計算領域取得的一系列成就。
原文發表于2007年12月19日