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一项新协议,成功在“不完全破坏”时测量了量子纠缠

发布时间:2023-11-22

 

与在纸上涂鸦纠缠量子态的数学表达式相比,产生真正的纠缠是一项棘手的任务。在实验室里,物理学家只能在准备好的量子态通过纠缠验证测试后、才能声称它是纠缠的,而所有传统的测试策略都有一个重大缺陷:它们会在认证过程中破坏纠缠。

 

这就意味着,在认证之后,实验者如果想使用该系统,就必须再次将其准备为相同的状态:但前提是,他们相信他们的“源”每次都能可靠地产生相同的状态。

 

在一项新的研究中,韩国科学技术院(KAIST)的Hyeon-Jin Kim领导的物理学家找到了绕过这种信任假设的方法。他们对传统的纠缠认证(EC)策略进行了改进,排除了完全破坏初始纠缠的可能性,从而使恢复初始纠缠(尽管概率小于1)及其认证成为可能。

 

 
认证纠缠。在这个涉及弱认证和反转测量的纠缠认证方案中,双方(传统上称为爱丽丝和鲍勃)坐在各自的实验室里,共享一对处于共享状态|Ψi⟩的潜在纠缠系统。在认证步骤中,他们对各自的本地系统进行弱认证测量,以获得统计数据。在每次运行中,它们都会获得输出(±1)和相应的输出状态|Ψm⟩,其中仍有一些纠缠。通过认证测试后,测量后状态|Ψm⟩将在最后一步接受反向测量,以概率方式获得原始状态|Ψf⟩ = |Ψi⟩
 
纠缠听起来很神秘,但在量子力学中有一个非常精确的定义。根据量子理论,复合系统(即被视为一个联合单元的两个或多个系统)要么是可分离的,要么是纠缠的。顾名思义,在可分离系统中,每个子系统都可以被赋予一个独立的状态。然而,在纠缠系统中,这是不可能的,因为子系统不能被视为独立的;正如格言所说:“整体大于部分”。
 
如今,纠缠在许多领域都发挥着至关重要的作用:包括量子通信、量子计算以及展示量子理论与经典理论的不同之处。因此,验证它是必不可少的。
 
在新研究中,Kim及其同事研究了涉及多个量子比特(最简单的量子系统)的EC测试。传统上,EC有三种策略。第一种称为“见证”(witnessing),适用于对每个子系统进行测量的两个(或多个)设备完全可信的实验情况;第二种被称为“引导”(steering),其中一个设备是完全可信的,而另一个则不可信;第三种策略称为“贝尔非局域性”(Bell nonlocality),适用于所有设备都不可信的情况。
 
对于上述每种策略,我们都可以推导出不等式,如果违反这些不等式,就会证明存在纠缠。
 
Kim及其同事重新调整了这些策略,使他们能够恢复认证后的原始纠缠:成功的关键在于一个叫做“弱测量”(weak measurement)的过程。
 
在量子力学中,测量是任何探测量子系统以从中获取信息(如数字)的过程,该理论以两种方式对测量进行建模:投影测量或“强”测量,以及非投影测量或“弱”测量。传统的EC策略采用投影测量,通过将每个子系统转化为独立状态来提取信息,从而使复合系统的联合状态变得可分离,换句话说,它完全失去了纠缠性。相比之下,弱测量不会对子系统造成剧烈干扰,因此子系统仍能保持纠缠状态:尽管与投射测量相比,信息提取的代价要小一些。
 
研究小组为每个子系统的测量强度引入了一个控制参数,并重新推导出认证不等式以纳入这些参数。然后,他们在待认证状态下反复准备其量子比特系统,并测量参数的固定子单位值(弱测量)。在所有迭代之后,他们收集统计数据,检查是否违反了认证不等式。一旦出现违反情况,即状态发生了纠缠,他们就会在相同的子系统上进一步实施相同强度的适当弱测量,以某种概率R恢复初始纠缠状态。
 
物理学家们还在名为“塞格纳克干涉仪”(Sagnac interferometer)的光子装置上演示了这一理论建议。对于这三种策略中的每一种,他们都使用了一个典型的塞格纳克装置,用于将纠缠编码到两个光子的偏振态中的双向系统。这涉及引入某些线性光学设备,以控制测量强度和设置,从而对初始状态进行认证和进一步检索。
 
正如预测的那样,他们发现随着测量强度的增加,R会下降,纠缠程度会降低,而每种情况下的认证级别(衡量认证不等式被违反的程度)会增加。这意味着存在一个测量强度的“甜蜜点”,使认证水平保持在一定高度,而不会过多地损失纠缠,从而损失可逆性。
 
实验装置
 
通过弱测量进行纠缠认证
 
在理想的实验中,人们会相信纠缠源在每次迭代中都会准备好相同的状态,为了认证而破坏纠缠是无害的。但现实中的纠缠源可能永远不会每次都输出完美的纠缠态,因此必须在准备好纠缠态后尽快过滤掉有用的纠缠态。
 
KAIST 团队将他们的方案应用于一个噪声源,该噪声源会随着时间的变化产生纠缠态和可分离态的多量子比特混合物,从而证明了这一点。通过在不同的时间步骤采用弱测量并检查见证值,研究小组认证并从混合物中恢复了纠缠,解除了信任假设,并将其进一步用于贝尔非局域性实验。
 
总之,研究结果表明了如何使纠缠认证与后续量子应用相兼容,并有利于对纠缠进行分类,从而提高量子技术的性能。
 

 

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