國際上首次成功:分布式量子相位估計由中科大實驗驗證

近日，來自中國科學技術大學的實驗團隊在《Nature Photonics》發表了一篇文章，裡面講述分布式量子相位估計首獲實驗驗證。

這個訊息代表了很多東西，但為了更好理解，在開始講關於這篇文章的更多內容之前，我們先來聊聊「分布式量子相位估計首獲實驗驗證」這句話。下文將先講「分布式量子相位估計」，隨後講「首獲」，最後才會講到「實驗驗證」。

分布式量子相位估計要講起來也挺複雜，就讓我們從「量子」開始。

在物理學中，量子是參與相互作用的任何物理實體的最小數量。也就是說，一個物理性質可以被「量化」，這意味著物理性質的大小只能採用由一個量子的整數倍組成的離散值。

舉個通俗的例子來說，一箱紙中，「箱」既是容器，也是一個衡量單位，隨後便是一疊紙，一張紙。到了「張」以後，剪碎紙張可以變成一條紙，特別特別碎的時候，我們或許可以稱它為一粒紙。這個「粒」就是我們日常生活中接觸到的比較小的單位了，再小？再小基本就用不到了。而量子，則是指物理界中最最最小的單位，因為已經無法再分割得更小了。

但是吧，不是所有的東西都像紙一樣是固體，「量子」的提出也跟紙能分成多少份或者分成多小沒有任何關係。而是19世紀末20世紀初的時候，有很多物理現象無法解釋，一個沉迷於研究「黑體輻射」的科學家提出了「能量子」這個說法，用作能量的最小單位。因此，誕生了一直都很高大上的「量子力學」。

所以關於量子，不能從固體上面去解釋的話，最常見的就是用於「光」上，作為一種單位。1905年愛因斯坦把「量子」引進了光學裡，提出了「光量子」的概念，其實也就是後來大家多多少少都聽過的「光子」。

小結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。是不是很繞口？反正就是這個實驗裡你說它是波，它確實有幹涉和衍射，但對不起，它沒有對應的確定的物理量；那個實驗裡你說它是粒子，它確實可數，有確定的質量和電荷，但不好意思，他沒有確定的軌道。

接著我們來解釋一下量子相位估計裡的「相位」。

相位是用來描述信號波形變化的度量，通常用角度作為單位，所以也稱作相角或相。這個東西是比較常見的，當信號波形以一定周期的方式發生變化，波形循環一周就是三百六十度。說起來搞笑，我其實真的經常見到，畢竟我每天都玩魔獸世界。最近經常打的安琪拉神廟裡的克蘇恩就很適合出現在這裡，為大家現身說法。

其實古代也有相位這個概念，比如月有陰晴圓缺的月相，也屬於這個相位的概念。其實月相說白了就是月球的相位。平時更不要說了，光一個耳機就能經常接觸到相位。說實在話，耳機的科技裡，其實很多時候，在原有基礎上，做個相位調整就可以得到更符合人體構造的聽感。

相位看似簡單，其實吧，它是個特別重要的東西，為什麼這麼說呢？因為量子力學跟經典力學相比，其實就是多了個相位……

說到這裡，我們總算要講到「量子相位估計」了。

量子相位估計，顧名思義是用來估計相位的整體操作的特徵向量的。更精確地說，量子相位估計其實是一種量子算法，是量子傅立葉變換的一個重要應用。它在其它量子算法中經常用作子例程，是很多量子算法的基本步驟，其中包括Shor's算法（秀爾算法）和HHL算法（線性方程組的量子算法）。

分布式量子相位估計中，除了上面提到的幾個名詞，就剩下「分布式」沒講了。這其實才是這個實驗的大頭。這裡先賣個關子，後文會著重提到。

分布式監控與離散監控之間的示意圖比較

接下來是「首獲」，其實這個詞就挺直白的。代表著一個發現，一個全新且一個了不起的成果。

根據合肥科技日報的報導，他們是從中國科學技術大學裡獲悉這一消息的。中科大的潘建偉院士以及他的同事陳宇翱、徐飛虎等，利用多光子量子糾纏，首次實現了分布式量子相位估計的實驗驗證。這不僅僅在國內是首次，在國際上也是第一次實現，為構建基於量子網絡的高精度量子傳感奠定了基礎。

這個成果已經於11月30日在線發表在了《自然·光子學》（Nature Photonics）上。據說在投稿期間，幾位審稿人對這項實驗工作給予了高度評價，稱讚這是一項「重要的裡程碑工作」。

現在，我們終於要來講講「分布式」這三個字了。

「分布式「在這裡指的是分布式傳感技術。這項技術可以同時執行多項任務，主要是可以在多個遠程空間節點上完成精密測量的任務。日常生活中我們比較常接觸到的光纖傳感器（利用光纖的物理特性實時測試某個場地的空間時間狀態），以及DSN分布式無線傳感器網絡(Distributed Sensor Network)，都是採用的這種技術。

所以這種分布傳感技術是相當適合用於執行量子相關計算的任務的。量子網絡作為量子信息和量子計算的重要組成，在執行各類遠程多節點任務中起著重要作用。當對多個空間分布的參量進行測量時，分布式量子傳感能夠實現超越經典統計極限的測量精度。然而，分布式量子傳感面對的一個重要問題是：如何選擇並製備能夠實現對多個參量最優測量精度的量子糾纏態。

這篇已發表的文章裡就詳細講述了他們關於怎麼去解決這個問題的實驗情況，我摘抄並稍作翻譯了一些他們的文章摘要過來：

「分布式量子計量可以提高檢測超出經典限制的空間分布參數的靈敏度。在這裡，我們展示了具有離散變量的分布式量子相位估計，以實現海森堡極限相位測量。基於模式和粒子中的並行糾纏，我們展示了針對單個相移和平均相移的分布式量子感測，其誤差減小幅度分別高達散粒噪聲極限1.4 dB和2.7 dB。此外，我們展示了一種具有並行模式糾纏和每種模式下移相器多次通過的組合策略。特別是，我們的實驗使用了六個糾纏光子，每個光子最多通過移相器六次，並獲得了總數為N的光子通過= 21，在低於散粒噪聲限制的4.7 dB處減少了誤差。我們的研究為常規量子網絡中分布式量子傳感糾纏和相干的好處提供了忠實的驗證。」

這些摘要表明，中科大這個研究團隊的該項工作成功實現了多參量分布式量子傳感的原理性實驗驗證。通過評估不同糾纏結構情況下的測量精度，驗證了糾纏結構對測量精度的增強效果。也擴展了資源利用率和可測量的參量數量，朝分布式量子傳感的實際應用邁出重要一步。