为什么量⼦纠缠是量⼦信息的资源

作者: 施郁

来源: 墨⼦沙⻰

发布日期: 2023-06-08 12:10:33

本文探讨了量⼦纠缠在量⼦信息科学中的重要性,特别是在量⼦隐形传态和量⼦密钥分发中的应⽤。通过历史发展和技术实例,展示了量⼦纠缠如何成为量⼦信息处理的关键资源,以及它在量⼦计算、量⼦通信等领域的深远影响。

随着量⼦物理以及相关技术的发展,特别是量⼦⼒学基本问题的研究,量⼦信息科学逐步兴起。其中⻉尔不等式和量⼦纠缠的研究起了重要作⽤,演示了量⼦纠缠的重要性。量⼦纠缠引起更⼴泛的关注,是因为量⼦纠缠已经成为量⼦信息处理的资源。例如,利⽤量⼦纠缠可以实现量⼦隐形传态。

量⼦态不可复制作为量⼦⼒学的线性叠加原理的后果,量⼦信息科学中有⼀个叫做“量⼦态不可复制”的基本定理:不可能存在⼀个基于量⼦⼒学演化的机器,它能够复制任意的未知的量⼦态。如果有这样的机器,作为⼀个演化算符U,复制过程是,是被复制的态,代表复制前的复本空⽩状态,代表机器在复制前后的量⼦态。同理,对于另⼀个被复制的态,复制过程是。

⽽对于的任意线性叠加态,复制过程应该为但是另⼀⽅⾯,根据量⼦⼒学的线性叠加原理与期望的复制过程不同。因此不存在复制机器。

量⼦隐形传态1993年,本内特(C. H. Bennett)、布拉萨尔(G. Brassard)、克雷波(C. Crépeau)、乔萨(R. Jozsa)、佩雷斯(A. Peres)和伍特尔斯(W. K. Wootters)提出量⼦隐形传态⽅案,借助量⼦纠缠和经典通信,将未知量⼦态从第⼀个粒⼦(下图中记作A)传到远⽅的第⼆个粒⼦(下图中记作C)上。

第三个粒⼦(下图中记作B)与第⼀个粒⼦处于同⼀地点,但是与第⼆个粒⼦纠缠,处于某个⻉尔态,不失⼀般性,可以⽤。将第⼀个粒⼦的态记作。3个粒⼦的量⼦态是其中X和Z都是某种操作,⽽且逆操作是它们⾃⼰。具体来说,这⾥每个粒⼦都是⾥⼀个量⼦⽐特,也就是说,Alice控制A和B粒⼦,对它们进⾏以⻉尔纠缠态为基的测量(叫做⻉尔测量),并将测量结果以经典通信通知控制C粒⼦的Bob,后者对C粒⼦采取相应操作。

Alice对A和B粒⼦进⾏⻉尔测量后,她知道三个粒⼦状态成为上⾯数学表达式的4项之⼀,将结果告诉Bob,Bob相应地做写在前⾯的操作的逆操作(碰巧等于原操作)——如果Alice得到,Bob不做任何操作;如果Alice得到,Bob得知结果后,做Z操作;如果Alice得到,Bob得知结果后,做X操作;如果Alice得到,Bob得知结果后,做ZX操作。这样最后得到的C粒⼦的状态总是。

粒⼦本身没有被传送,是量⼦态被传送,⽽该量⼦态原来的载体(A粒⼦)则改变了量⼦态,事实上变成与B粒⼦处于⼀个纠缠态,⽽且经典通信在量⼦态的传送中起了重要作⽤。这样,虽然Alice和Bob不知道被传的态是什么,但是这个态从A粒⼦传到了C粒⼦。注意,⼀个关键的步骤是Alice将测量结果通知Bob,否则量⼦态传送是不可能实现的。妙处是Alice和Bob都不知道被传的态,⽽且粒⼦本身没有传送。

量⼦纠缠和量⼦隐形传态都不可能瞬间传递信息。如果Alice和Bob仅仅对两个纠缠粒⼦分别测量,是⽆法实现信息传递的,这是因为如果Alice不将对第⼀个粒⼦的测量结果通知Bob,后者是观测不到第⼆个粒⼦的任何变化的,观测结果与坍缩前的量⼦态也是完全融洽的(因为有随机性)。因此这⾥没有超光速信号的传输,量⼦纠缠并不违反相对论。对相对论的遵守也体现在量⼦隐形传态中,Alice必须将测量结果告诉Bob。

事实上,任何信号传输都不能超过光速。1997年,塞林格(A. Zeilinger)组和⻢丁尼(F. De Martini)组分别在实验上实现了量⼦隐形传态。正如量⼦隐形传态的最初理论⽂章中也提到的,量⼦隐形传态可以推⼴如下:粒⼦1和2处于⼀个⻉尔纠缠态,粒⼦3和4处于另⼀个同样的⻉尔纠缠态;粒⼦2和3⼀起被做⻉尔测量,结果粒⼦1和4就会处于⼀个纠缠态,虽然它们没有相遇。

这可以从下式看出,塞林格参与的⼀个理论⼯作将之称为纠缠交换,并指出这可以⽤于检测纠缠对的产⽣。1998年,塞林格组在实验上实现了纠缠交换。中国学者潘建伟作为研究组成员参加了这两个量⼦隐形传态和纠缠交换实验。

量⼦卫星与量⼦密钥分发量⼦信息技术的⼀个重要⽬标是实现⻓距离的量⼦纠缠,其中⼀个技术途径是⽤光纤,但是光有衰减,所以需要中继。经典中继器显然依赖于复制。

但是量⼦态不能被复制,因此量⼦中继与经典中继器不同。⼀个解决⽅法是借助卫星,因为⼤⽓以上的⾃由空间中,光衰减很⼩。中国的潘建伟研究团队⽤2016年发射的墨⼦号卫星实现了这个⽅案,实现了卫星与北京附近的兴隆地⾯站之间(相距1200公⾥)的BB84⽅案的密钥分发。BB84⽅案是Bennett和Brassard于1984年的提出的量⼦密钥分发⽅案,不需要量⼦纠缠。

不⽤卫星,但是作为卫星⼯作的技术准备,他们在⻘海湖附近实现了约100公⾥距离的量⼦纠缠、量⼦隐形传态和Bell-CHSH不等式违反(S=2.51±0.21,⽆局域性漏洞)实验,充分验证了利⽤卫星实现量⼦通信的可⾏性,2017年,利⽤卫星实现了阿⾥地⾯站和墨⼦号卫星之间1400公⾥的量⼦隐形传态。

墨⼦号卫星还将纠缠光⼦分发到⻘海的德令哈和云南的丽江(相距1203公⾥),观察到双光⼦纠缠以及Bell-CHSH不等式违反(S=2.37±0.09,⽆局域性漏洞)。后来,⼜与塞林格组合作,实现了在中国与奥地利之间的密钥分发(⽆量⼦纠缠)。卫星还有望取得进⼀步成就。另⼀个途径是所谓量⼦中继器,基于纠缠交换,通过多个节点,实现⻓程纠缠。

除了有效的纠缠交换,还需要好的量⼦存储,因为在⼀⽅的许多次纠缠交换过程中,另⼀⽅必须保持量⼦态不变。这些技术结合起来,可以导致全球量⼦⽹络的建⽴。1991年,Artur Ekert提出⼀种基于量⼦纠缠态的量⼦密钥分发⽅案。这叫Ekert91⽅案。Alice和Bob共享来⾃⼀个独⽴源的处于的纠缠量⼦⽐特(⾃旋、光⼦偏振或者其他载体)。

他们分别随机在3个⽅向(a1, a2, a3)和(b1, b2, b3)测量所拥有的量⼦⽐特。(a1, a2, a3)分别是90度、135度、180度⽅向,(b1, b2, b3)分别是135度、180度、225度⽅向。a1, a3, b1, b3⽅向的测量结果(可以公开)⽤来检验⻉尔不等式。通过检验⻉尔不等式是否违反,可以发现通道是否安全可靠、没有窃听。

然后可以⽤a2和a3,也就是b1和b2⽅向的完美反关联的测量结果⽣成密钥。2006年,塞林格组在144公⾥距离上实现了这个⽅案。他们检验CHSH不等式的S是2.508±0.037,表明⻉尔不等式的违反达到13个标准偏差。2022年,3个组⽤没有漏洞的⻉尔测试实现了这个⽅案。作为密钥⽅案,也可以不检验⻉尔不等式,⽽是独⽴去测量X或Z算符,结果应该是反关联的。

然后类似BB84⽅案,⽤⼀些结果作错误率分析,检验有⽆窃听。如果没有窃听,就可以⽣成密钥。这叫BBM92⽅案。2020年,墨⼦号卫星将纠缠光⼦分发到德令哈和南⼭(相距1120公⾥),实现了Ekert91和BBM92⽅案,⽽且违反Bell-CHSH不等式的S是2.56 ± 0.07,达到8个标准偏差。

2022年,墨⼦号卫星将纠缠光⼦对分发到德令哈和丽江(相距1200km),然后在两个地⾯站之间实现了量⼦态远程传输。

结束语爱因斯坦揭示了量⼦⼒学与定域实在论的冲突,⻉尔将其定量化,CHSH将其推⼴⽤于实际实验。为了检验⻉尔不等式,实验技术不断提⾼。

2022年诺⻉尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩(Alain Aspect),约翰·克劳泽(John F. Clauser)和塞林格(Anton Zeilinger),奖励他们关于纠缠光⼦的实验,奠定了⻉尔不等式的违反,也开创了量⼦信息科学。他们的开创性实验使量⼦纠缠成为“有⼒的⼯具”,代表了量⼦⾰命的新阶段。发展⾄今,这个曾经⼩众的领域⽣⻓出与量⼦调控和量⼦信息科技等密切相关的⼤领域。

量⼦纠缠也是实现量⼦计算的基础,因为量⼦算法⾥普遍⽤到了量⼦纠缠态。因此量⼦纠缠在量⼦计算、量⼦模拟、量⼦通信、量⼦度量与传感等⽅⾯都扮演重要⻆⾊,是所谓新量⼦⾰命或者第⼆次量⼦⾰命和量⼦技术新纪元的基础。另外,量⼦纠缠也是理解多体量⼦态的重要概念。本世纪初,⼀些研究⼈员意识到,量⼦纠缠概念除了在量⼦⼒学基本问题与量⼦信息之外,也可以⽤于传统的量⼦物理领域,⽐如凝聚态理论与量⼦场论。

UUID: 31b8b852-c001-421b-ac38-b34dacf9877f

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/中科院物理所公众号-pdf2txt/2023/中科院物理所_2023-06-08「转」_为什么量子纠缠是量子信息的资源.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0117 元