一项新协议，成功在“不完全破坏”时测量了量子纠缠

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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。

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。