揭示量子纠缠态的隐藏结构，测量“高维”量子态从几十年缩短到几分钟 / 开普饭

在许多维度上纠缠在一起的量子态是新兴量子技术的关键，更多的维度意味着更高的量子带宽（更快）和更好的抗噪能力（安全），这对于快速安全的通信和加速无纠错的量子计算都是至关重要的。

现在，南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的研究人员与来自苏格兰的合作者一起，发明了一种探测这些 "高维 "量子态的新方法，将测量时间从几十年缩短到几分钟。

1. 更快更安全的计算

该研究于 2021 年 8 月 27 日发表在科学期刊《自然通讯》上。论文《Measuring dimensionality and purity of high-dimensional entangled states》概述了一种新的量子测量方法，并在 100 维量子纠缠态上进行了测试。

在传统的方法中，由于测量量子态的时间会随着维度的增加而不断地增加，因此通过完整的"量子态断层扫描（quantum state tomography）"来解开100 维的状态将需要数十年的时间。

研究小组表明，他们的方法可以在短短几分钟内推断出量子系统的显著信息，如有多少维度纠缠在一起，其纯度达到什么水平？

图1｜可见性，维度和纯度（来源：nature communications）

这种新方法只需要简单的 "投影"，在大多数实验室里用常规工具就可以轻松完成。以光为例，该团队使用全数字方法来进行测量。

2. 你是量子还是非量子？

虽然高维状态很容易形成，尤其是光的纠缠粒子（光子），但它们并不容易测量，可以说几乎没有可以用于测量和控制它们的工具。

你可以把高维量子态想象成骰子的面。传统的骰子有 6 个面，编号为 1 到 6，用于组成六维字母表，可用于计算或在通信中传输信息。制作一个“高维骰子”意味着骰子有更多的面：100 个维度等于 100 个面，一个相当复杂的多边形。

在我们的日常生活中，很容易数出这些面来知道我们有什么样的资源可用，但在量子世界中不是这样。在量子世界里，你永远无法看到整个骰子，所以数面是非常困难的。

解决这个问题的方法是做一个断层扫描，就像在医学界所做的那样，从物体的许多切片中构建一个图片。但是，量子物体中的信息可能是巨大的，所以这个过程会消耗很长的时间。

一种更快的方法是“贝尔测量（Bell measurement）”，这是一个著名的测试，用于判断你面前的事物是否是纠缠的。就像问它 "你是量子还是非量子？”但是，虽然这证实了骰子的量子相关性，但它并没有说明它的面数。

3. 实验原理

研究人员表示，他们通过一个偶然的发现解决了这个问题，即有一组测量值既没有用到断层扫描也没有用到贝尔测量，但包含两者的重要信息。

换句话说，他们结合了两种测量方法来进行多次投影，看起来像断层扫描，但测量结果的可见性，就好像它们是贝尔测量一样。这揭示了可以从多个维度的量子关联强度中提取的隐藏信息。

图2｜以 OAM 为例的概念和实现（来源：nature communications）

类贝尔方法的速度与类层析成像方法的信息相结合，意味着可以快速定量地确定关键量子参数，如维度和量子态的纯度。

该研究对于提供快速安全的通信以及加速大规模无纠错的量子计算都产生了至关重要的影响。

论文：

https://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-25447-0?utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_campaign=news

引用：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-021-25447-0

[2]https://www.miragenews.com/revealing-hidden-structure-of-quantum-entangled-623269/

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