《自然》：量子中继器实验被完美实现

从中国科学技术大学获悉，该校合肥微尺度物质科学国家实验室教授潘建伟及其同事苑震生、陈宇翱等，利用冷原子量子存储技术，在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠，以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美实现了远距离量子通信中急需的“量子中继器”，向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。8月28日出版的国际著名科学期刊《自然》，以《量子中继器实验实现》为题发表了这项重要研究成果。

目前，高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点，因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。然而，作为量子通信的基本资源，脆弱的纠缠光子极易被信道吸收，造成信号随通信距离指数衰减、误码率提高进而导致通信失败。因此，目前量子通信的距离被限制在100公里的量级。类比于传统通信中为了补偿信号衰减而建立的中继器，奥地利科学家在理论上提出，可以通过量子存储技术与量子纠缠交换和纯化技术的结合来实现量子中继器，从而最终实现大规模的远距离量子通信。

据悉，潘建伟及其奥地利的同事分别在1998年和2003年从实验上实现了纠缠交换和纠缠纯化，但是量子存储的实验实现却一直存在着很大的困难。为了解决这一问题，一些科学家做了大量的研究工作。例如，中科大教授段路明及其奥地利、美国的合作者曾于2001年提出了基于原子系综的另一类量子中继器方案，该方案具有易于实验实现的优点，受到了学术界的广泛重视。然而，进一步的研究表明，由于这一类量子中继器方案存在着对于信道长度抖动过于敏感、误码率随距离增加而增长过快等严重问题，无法被用于实际的远距离量子通信中。

为了解决上述困难，潘建伟和他的同事陈增兵、赵博等，于2007年提出了具有存储功能并且对信道长度抖动不敏感、误码率低的高效率量子中继器的理论方案。同时，潘建伟小组及其德国、奥地利的同事经过多年的合作研究，在逐步实现了光子—原子纠缠、光子比特到原子比特的量子隐形传态等重要阶段性成果的基础上，最终从实验上实现了此类量子中继器。

由于量子中继器的实验实现在量子信息研究中的重要意义，《自然》杂志为此专门向有关科学新闻媒体发布了题为《量子推动》(Quantum Boost)的新闻稿，称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。

线性方程组的量子算法

这篇论文中提出了一个非常漂亮的量子算法，把求解稀疏矩阵方程的复杂度由O(n)降低到log(n)。我们现有的量子算法，比如Shor算法，Grover算法大都只能对经典算法作出多项式性的改进，可这个算法把最好的经典算法效率作出了指数性的提高。更加重要的是，这是第一个解决了我们科学和工程中最常见的问题的量子算法。像Shor算法那样破解密码毕竟用途有限。在实际的工程和科研中，我们遇到最多的问题就是解线性方程组，且我们遇到的大部分线性方程组都是稀疏的，维度也非常高。经典算法为了解决这个问题，作出了诸多努力，但是现在最好的算法也只能达到O(n)的复杂度。这个量子算法告诉我们，利用量子计算机解我们经典世界最常遇到的线性方程组，会非常非常快，我们可以解近乎无限维的稀疏线性方程组。我相信这会帮助我们解决以前无法解决的问题，长期天气预报，更加有效的网络检索处理。问题只在于，我们什么时候才能造出真正实用的量子计算机。

新算法实现迄今最大数字分解

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室杜江峰教授领导的课题组首次提出了基于绝热量子计算的质因子分解算法，并成功地在实验中用该算法实现了迄今为止最大的数字分解。这一研究成果发表在11月28日出版的国际物理学期刊《物理评论快报》（PHYSICAL REVIEW LETTERS）上。审稿人认为，这一研究是量子计算的重要进展。

绝热量子计算是量子计算领域的新模式，传统的量子计算模式基于离散的量子逻辑门来实现，而绝热量子计算通过连续变化的哈密顿量来驱使系统演化到特定的状态，从而得到问题的答案。绝热量子计算特别适合处理组合优化问题，同时它的抗退相干的能力十分突出，具有强的容错能力，因此有着重要的应用前景，受到了学术界的普遍重视，甚至得到了工业界人士的关注。

基于传统的量子计算模式的量子Shor算法可以快速分解出大数的质因子，使得量子计算机能够破解目前广泛使用的密码如RSA公钥加密系统。但Shor算法使用了大量的计算资源以至于很难在实验上实现，迄今为止实验上使用Shor算法分解的最大数是15。杜江峰课题组首次提出了用于大数分解的绝热量子算法，并利用该新算法首次在实验上实现了21的分解，所使用的量子比特数不到Shor算法分解15所使用的比特数的一半， 而且实验中分解时间更快。杜江峰教授介绍，尽管无法严格证明新算法的时间复杂度，在有限的数值模拟中新算法有着与Shor算法类似的效率。

另外， 绝热量子计算的直接物理依据是量子力学中的绝热定理。因此对绝热量子算法的研究依赖于绝热定理的成立条件。2004年，加拿大的研究小组在《物理评论快报》上发表文章对绝热定理自洽性提出了质疑，从而引发了一系列的相关的理论探索。在这种对基本定理存在争议的情况下，实验的研究无疑是最有说服力的。因此杜江峰课题组通过控制磁场中的核自旋的演化，首次在实验上发现了绝热定理成立条件的非充分必要性，相关研究成果发表在今年8月8日出版的《物理评论快报》上PHYSICAL REVIEW LETTERS 101, 060403 (2008)。

在科技部、国家基金委和中国科学院的大力支持下，杜江峰领导的课题组取得的这一系列成果，标志着中国科学技术大学在量子信息科学的研究领域已处于世界同类工作的前列。