治愈量子纠缠的致命弱点

发布时间: 2020-08-21 18:37:50 来源:

路易斯安那州立大学物理学副教授马克·王尔德(Mark M.Wilde)和他的合作者解决了量子信息理论中已有20年历史的问题,该问题涉及如何以有效计算,有用的方式计算纠缠成本(一种测量纠缠的方法) ,并广泛应用于几个量子研究领域。

在《物理评论快报》上发表的一篇新论文中,王尔德和百度研究的合著者王鑫博士描述了如何允许比所谓的LOCC(本地操作和经典通信)更广泛的物理操作-这已经使量子陷入瘫痪在一段时间内数学困难的科学家们-可以表征给定量子态的确切纠缠成本。他们的工作结束了对纠缠理论的长期研究,即“量子态的PPT精确纠缠成本”。

量子信息科学旨在理解和控制量子态(即纠缠态)的奇特有时是怪异的特性,这些特性使信息处理任务在非量子世界中无法实现,例如,隐形传态,量子计算和绝对安全的通信。

纠缠的最基本单位称为贝尔状态。您可以将其视为由两个绝对纠缠的纠缠原子(实际上是量子比特)组成的最小的分子-意味着,如果您可以窥视其中一个,则毫无疑问,您将知道另一个原子具有相同特征的双胞胎。就像两个人掷硬币一样;如果一个人碰到了尾巴(合理地是50/50的机会),那么绝对纠缠或贝尔状态的结果将保证另一个人碰到尾巴(或者他们俩都碰到了头)。此外,宇宙中没有其他人可以知道投掷硬币的确切结果,这就是为什么基于量子纠缠的安全通信既可行又合乎需要的主要原因。

王尔德解释说:“量子纠缠是两个遥远的一方共享的一种超相关。”“如果仅用经典物理学来描述世界,那么就不可能与量子纠缠有很强的相关性。但是,我们的世界从根本上说是量子力学的,而纠缠是它的本质特征。”

当量子纠缠在1930年代首次被发现时,它被认为是一个令人讨厌的事情,因为它难以理解,并且不清楚其好处。但是随着1990年代量子信息科学的兴起,从理论意义上将其理解为卓越量子技术的关键。此类技术的最新实例包括2017年的中国从地面到卫星的隐形传态实验以及去年Google的量子计算至上成就。

在路易斯安那州立大学(LSU),像OmarMagaña-Loaiza和Thomas Corbitt这样的量子物理学家例行地进行实验,这些实验可能会受益于Wilde和Wang的新方法和更精确的测量方法。在他们各自的实验室中,Magaña-Loaiza最近通过条件测量生成了纠缠态,这是类激光纠缠系统发展的重要一步,而科比特则对光机械纠缠进行了研究,它有可能成为可靠​​的光子纠缠源。短波长的多光子纠缠。王尔德和王的新纠缠措施称为?纠缠或最大对数负性可用于评估和量化在各种量子物理实验中产生的纠缠。

基本纠缠单元或贝尔状态也称为e位。纠缠可以用两种不同的方式观察:准备一个量子态需要多少个e位,或者一个复杂的纠缠态可以提取或“提取”多少个e位。前者称为纠缠成本,是Wilde和Wang考虑的问题。

王尔德说:“电子比特是一种宝贵的资源,您希望使用的比特数尽可能少。”“在物理学中,您经常想同时观察向前和向后的过程。它是可逆的吗?如果是可逆的,那么我是否会一路上失去一些东西?答案是肯定的。”

王尔德承认他和王先生解决的问题有些深奥-一种数学技巧。但是,如果有一定限制,它将使量子信息科学家能够有效地计算纠缠成本。

王尔德补充说:“并不是所有的纠缠措施都是可以有效计算的,并且具有诸如纠缠成本之类的含义。这是以前所有工作与我们所做工作之间的关键区别。”

尽管缺乏这种措施已成为量子信息科学20多年来的致命弱点,但具有讽刺意味的是-在2018年的篮球比赛中,王尔德变得最大程度地``纠结'',导致他和王最终解决了问题。

怀尔德回忆说:“在争取比赛获胜点的同时,我摔伤了跟腱,然后进行了手术修复,一个半月都不能下床,”王尔德回忆道。“所以,我写了一篇有关纠缠成本的研究论文,当王鑫了解到它时,他问我是否有兴趣进一步解决这个问题。然后我们开始来回研究,这成为了我们的论文。现在已发表在《物理评论快报》上。此后,我们成为了好朋友和合作者-生命中可能会发生令人惊讶的惊人变化。”

马克·M·王尔德(Mark M.Wilde)是《量子信息论》的作者(剑桥大学出版社,2017年,第二版)。也可以通过arXiv.org阅读(公开阅读)《Physical Review Letters》中发表的论文。

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