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这篇文章利用了光子的三个自由度做编码, 用六个光子完成了十八比特GHZ态的制备和表征, new point在于单光子三个自由度. 这是什么意思呢? 对于一个光子, 它可以有很多个方面的性质, 例如偏振方向, 传输方向, 频率, 轨道角动量状态等, 这些性质都可以作为量子比特编码. 这篇工作, 利用了光的偏振, 动量, 轨道角动量作为编码比特, 一个光子充当了三个比特, 用六个光子完成了18 qubit GHZ态 的制备, 并利用一些很精巧的手段,完成了对这个GHZ性质的标定, 技术上讲, 更困难的是后者.

说到意义, 看下面有回答在喷, 也有说这个工作是标题党的, 但是无法否认的是这篇PRL的审稿过程异常顺利, 投出去的稿件几乎没做任何修改(只是被建议引用一个最近离子阱中20 qubits工作)直接接收.

谈到这篇工作的意义, 新闻中说法固然也没啥问题, 换个角度看也只能那么写, 写一堆很technical的point公众看起来更不知所云. 在知乎上可以更偏技术地讲一讲: 这个工作意味着, 我们可以在线性光学体系中完成更精确的态调控, 从而使得从前不可能完成的任务变为可能, 这是量子光学实验技术上的一个突破. 这篇文章中对于OAM(optical orbital angular momentum, 光学轨道角动量)qubit的测量利用了两个自由度间的CNOT门, 其中一个是Dove棱镜结合干涉仪实现的. 而通常在多光子干涉实验中, 实验对于干涉仪两臂间光程差的精确度和稳定性要求极高, 甚至大气扰动都可能对干涉仪的对比度产生重大影响. 这篇工作利用胶合技术将分立元件构成的干涉仪小型化, 做成module用于光路中, 将干涉稳定性问题解决掉了. 也正是因为这一点, 这个工作在用了一共30个干涉仪的情况下依然能够将测量出的纠缠态保真度保持在0.7以上(对于GHZ态, 0.5是纠缠判据的阈值, 当年离子阱中14-qubits实验该保真度<0.5, 只能达到提纯判据).

18-qubit纠缠这样一个工作, 本身就在量信领域极具新闻价值, 精确制备GHZ态代表了态的调控能力, 除了量子计算, 这一点对于quantum foundation等更多很physical的方面也有一定意义, 再加上这篇工作中所使用的技术, 基本都是多光子干涉领域最优的方案(包括很多原创idea), 能够以编辑推荐(大约占PRL文章总数的10%)发表在PRL上很正常.

最后再扯一扯: 能够精确制备量子态在当前的量子信息领域仍然是一件非常困难的事情, 也正是因为这一点, 高保真度的通用可编程量子计算机非常困难. 于是大佬Preskill才提出了量子霸权(quantum supremacy)这样一个概念(也就是google等公司宣称的量子称霸), 其大致意思是, 高保真度通用可编程量子计算机任重道远, 但是在发展的途中还是要有一些里程碑的, 我们可以先挑选一些和实际量子系统演化overlap多一些的复杂问题(经典计算复杂的问题), 它描述了一个完全可测可控的量子系统, 解决这个问题只需让我们的量子系统演化, 然后读出结果即可. 这样一个与所解决问题高overlap的物理系统, 在演化过程应当是无需纠错的, 故实验难度大大降低, 我们先在这么一个更feasible的体系中干掉经典计算机, 证明量子机器在计算方面的实力.

而多量子比特的GHZ态制备和量子霸权并不在一个维度, 它代表了精确制备量子态的能力, 这在实验上是十分困难, 感兴趣的可以去查一查文献, 看看其它体系中GHZ最高做到了多少, 保真度是多少.

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：SoloArtist

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