中科大获国际里程碑式实验成果：分布式量子相位估计首获验证

近日，来自中国科学技术大学的实验团队在《Nature Photonics》发表了一篇文章，里面讲述分布式量子相位估计首获实验验证。

这个讯息代表了很多东西，但为了更好理解，在开始讲关于这篇文章的更多内容之前，我们先来聊聊“分布式量子相位估计首获实验验证”这句话。下文将先讲“分布式量子相位估计”，随后讲“首获”，最后才会讲到“实验验证”。

分布式量子相位估计要讲起来也挺复杂，就让我们从“量子”开始。

在物理学中，量子是参与相互作用的任何物理实体的最小数量。也就是说，一个物理性质可以被“量化”，这意味着物理性质的大小只能采用由一个量子的整数倍组成的离散值。

举个通俗的例子来说，一箱纸中，“箱”既是容器，也是一个衡量单位，随后便是一叠纸，一张纸。到了“张”以后，剪碎纸张可以变成一条纸，特别特别碎的时候，我们或许可以称它为一粒纸。这个“粒”就是我们日常生活中接触到的比较小的单位了，再小？再小基本就用不到了。而量子，则是指物理界中最最最小的单位，因为已经无法再分割得更小了。

但是吧，不是所有的东西都像纸一样是固体，“量子”的提出也跟纸能分成多少份或者分成多小没有任何关系。而是19世纪末20世纪初的时候，有很多物理现象无法解释，一个沉迷于研究“黑体辐射”的科学家提出了“能量子”这个说法，用作能量的最小单位。因此，诞生了一直都很高大上的“量子力学”。

所以关于量子，不能从固体上面去解释的话，最常见的就是用于“光”上，作为一种单位。1905年爱因斯坦把“量子”引进了光学里，提出了“光量子”的概念，其实也就是后来大家多多少少都听过的“光子”。

小结一下就是量子既是波也是粒子，但也可以既不是粒子也不是波。是不是很绕口？反正就是这个实验里你说它是波，它确实有干涉和衍射，但对不起，它没有对应的确定的物理量；那个实验里你说它是粒子，它确实可数，有确定的质量和电荷，但不好意思，他没有确定的轨道。

接着我们来解释一下量子相位估计里的“相位”。

相位是用来描述信号波形变化的度量，通常用角度作为单位，所以也称作相角或相。这个东西是比较常见的，当信号波形以一定周期的方式发生变化，波形循环一周就是三百六十度。说起来搞笑，我其实真的经常见到，毕竟我每天都玩魔兽世界。最近经常打的安琪拉神庙里的克苏恩就很适合出现在这里，为大家现身说法。

其实古代也有相位这个概念，比如月有阴晴圆缺的月相，也属于这个相位的概念。其实月相说白了就是月球的相位。平时更不要说了，光一个耳机就能经常接触到相位。说实在话，耳机的科技里，其实很多时候，在原有基础上，做个相位调整就可以得到更符合人体构造的听感。

相位看似简单，其实吧，它是个特别重要的东西，为什么这么说呢？因为量子力学跟经典力学相比，其实就是多了个相位……

说到这里，我们总算要讲到“量子相位估计”了。

量子相位估计，顾名思义是用来估计相位的整体操作的特征向量的。更精确地说，量子相位估计其实是一种量子算法，是量子傅里叶变换的一个重要应用。它在其它量子算法中经常用作子例程，是很多量子算法的基本步骤，其中包括Shor's算法（秀尔算法）和HHL算法（线性方程组的量子算法）。

分布式量子相位估计中，除了上面提到的几个名词，就剩下“分布式”没讲了。这其实才是这个实验的大头。这里先卖个关子，后文会着重提到。

接下来是“首获”，其实这个词就挺直白的。代表着一个发现，一个全新且一个了不起的成果。

根据合肥科技日报的报道，他们是从中国科学技术大学里获悉这一消息的。中科大的潘建伟院士以及他的同事陈宇翱、徐飞虎等，利用多光子量子纠缠，首次实现了分布式量子相位估计的实验验证。这不仅仅在国内是首次，在国际上也是第一次实现，为构建基于量子网络的高精度量子传感奠定了基础。

这个成果已经于11月30日在线发表在了《自然·光子学》（Nature Photonics）上。据说在投稿期间，几位审稿人对这项实验工作给予了高度评价，称赞这是一项“重要的里程碑工作”。

现在，我们终于要来讲讲“分布式”这三个字了。

“分布式“在这里指的是分布式传感技术。这项技术可以同时执行多项任务，主要是可以在多个远程空间节点上完成精密测量的任务。日常生活中我们比较常接触到的光纤传感器（利用光纤的物理特性实时测试某个场地的空间时间状态），以及DSN分布式无线传感器网络(Distributed Sensor Network)，都是采用的这种技术。

所以这种分布传感技术是相当适合用于执行量子相关计算的任务的。量子网络作为量子信息和量子计算的重要组成，在执行各类远程多节点任务中起着重要作用。当对多个空间分布的参量进行测量时，分布式量子传感能够实现超越经典统计极限的测量精度。然而，分布式量子传感面对的一个重要问题是：如何选择并制备能够实现对多个参量最优测量精度的量子纠缠态。

这篇已发表的文章里就详细讲述了他们关于怎么去解决这个问题的实验情况，我摘抄并稍作翻译了一些他们的文章摘要过来：

“分布式量子计量可以提高检测超出经典限制的空间分布参数的灵敏度。在这里，我们展示了具有离散变量的分布式量子相位估计，以实现海森堡极限相位测量。基于模式和粒子中的并行纠缠，我们展示了针对单个相移和平均相移的分布式量子感测，其误差减小幅度分别高达散粒噪声极限1.4 dB和2.7 dB。此外，我们展示了一种具有并行模式纠缠和每种模式下移相器多次通过的组合策略。特别是，我们的实验使用了六个纠缠光子，每个光子最多通过移相器六次，并获得了总数为N的光子通过= 21，在低于散粒噪声限制的4.7 dB处减少了误差。我们的研究为常规量子网络中分布式量子传感纠缠和相干的好处提供了忠实的验证。”

这些摘要表明，中科大这个研究团队的该项工作成功实现了多参量分布式量子传感的原理性实验验证。通过评估不同纠缠结构情况下的测量精度，验证了纠缠结构对测量精度的增强效果。也扩展了资源利用率和可测量的参量数量，朝分布式量子传感的实际应用迈出重要一步。