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治愈量子纠缠的阿喀琉斯之踵

路易斯安那州立大学物理学副教授马克·m·王尔德和他的合作者解决了量子信息理论中一个长达20年的问题,即如何计算纠缠代价——一种测量纠缠的方法——以一种高效可计算、有用且广泛适用于几个量子研究领域的方式。

在一篇发表在《物理评论快报》上,王尔德和百度的新王博士研究合著者描述允许稍微比所谓的广泛的物理操作LOCC(本地操作和经典通信)——惊量子科学家对一些使它困难的数学可能描述的一个给定的量子态的纠缠成本。他们的工作结束了一项关于纠缠理论的长期调查,该理论被称为“量子态精确纠缠成本PPT”。

量子信息科学的目标是理解和控制量子态(即纠缠态)的奇怪的、有时令人毛骨悚然的特性,这些特性使非量子世界不可能完成的信息处理任务,如隐形传态、量子计算和绝对安全通信。

纠缠最基本的单位称为钟态。你可以把它尽可能最小的两个纠缠原子组成的分子(量子位,真的)absolute-implying纠缠的,如果你可以看看其中的一个,你就知道怀疑,另一个是它的孪生兄弟,相同的特征。就像两个人抛硬币;如果一个人得到反面,这是合理的50/50的机会,另一个人将保证得到反面(或者他们都得到正面,相同的东西),这是绝对纠缠或钟态的结果。此外,宇宙中没有人能知道掷硬币的确切结果,这就是为什么基于量子纠缠的安全通信是可能的也是值得的主要原因。

王尔德解释说:“量子纠缠是一种遥远的双方共有的超相关。”“如果世界只是用经典物理学来描述,那么就不可能有与量子纠缠相关的强关联。”然而,我们的世界从根本上说是量子力学的,而纠缠是它的一个基本特征。”

当量子纠缠在20世纪30年代首次被发现时,人们认为它很麻烦,因为它很难理解,也不清楚它会带来什么好处。但随着20世纪90年代量子信息科学的兴起,它在理论上被理解为卓越量子技术的关键。这类技术最近的例子包括2017年中国从地面到卫星的远程传态实验,以及去年谷歌在量子计算领域取得的领先成就。

在LSU,像Omar Magana-Loaiza和Thomas Corbitt这样的量子物理学家经常进行实验,这些实验可能会受益于王尔德和王的更精确的新测量方法。在他们各自的实验室里,magena - loaiza最近通过条件测量产生了纠缠态,这是类似纠缠激光系统发展的重要一步,而Corbitt进行了光机械纠缠的研究,这有可能成为短波多光子纠缠的可靠来源。王尔德和王的新纠缠测量,称为κ纠缠或max-logarithmic消极,可以用来评估和量化产生的纠缠在一个广泛的到了量子物理实验。

基本纠缠单位或贝尔态也称为电子位元。纠缠态可以用两种不同的方式来看待:准备一个量子态需要多少电子位元,或者从一个复杂的纠缠态中可以提取或“提取”多少电子位元。前者被称为纠缠成本,是王尔德和王考虑的问题。

王尔德说:“电子数据是一种宝贵的资源,你应该尽可能少地使用它们。”“在物理学中,你经常想要同时观察正向过程和逆向过程。它是可逆的吗?如果是的话,我是否在这一过程中失去了什么?答案是肯定的。”

王尔德承认,他和王解决的问题有点深奥——一个数学难题。然而,它将允许量子信息科学家在一定的约束条件下有效地计算纠缠代价。

并不是所有的纠缠度量都是有效可计算的,并且有一个意义,比如纠缠成本。这是之前所有作品和我们作品之间的一个关键区别。”王尔德补充道。

20多年来,缺乏这类测量一直是量子信息科学的致命弱点。颇具讽刺意味的是,王尔德在2018年的一场篮球比赛中陷入了极大的负面“纠缠”,这让他和王最终解决了这个问题。

王尔德回忆说:“我在为赢得比赛的最后一分而努力的时候,我的阿基里斯之踵破裂了,然后我做了手术来修复它,在一个半月的时间里我无法起床。”于是,我写了一篇关于纠缠成本的研究论文,王鑫得知后,问我是否有兴趣进一步研究这个问题。然后我们开始一起工作,来来回回,这就是我们现在发表在《物理评论快报》上的论文。在那之后,我们成为了好朋友和合作者——生活中出现的惊喜是不可思议的。”

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