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利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态

以下文章来源于量子科话,作者量子科话


利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态(图1)

利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态

谷歌与斯坦福大学的联合团队在70量子比特的超导量子处理器上观察到了测量诱导相变,这是迄今为止探索测量诱导效应的最大规模系统。研究团队解决了一系列实验困难,并演示了测量诱导的量子隐形传态。该结果为在当前量子系统中实现测量诱导物理提供了新的方向,有助于启发用于量子计算的新技术。该成果于10月18日发表在《自然》杂志上。

利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态(图2)

© Nature

研究论文以《含噪声量子处理器上的

测量诱导纠缠与隐形传态

(Measurement-induced entanglement and 

teleportation on a noisy quantum processor)》

为题发表于《自然》杂志

量子力学中充满了奇怪的现象,但也许没有哪一个现象比测量在理论中扮演的角色更奇怪。在量子系统中,当量子比特相互作用时,它们的信息在纠缠态中被非定域地共享。倘若测量这个系统,纠缠则会被破坏。测量和相互作用之间的斗争导致了两个截然不同的状态:一个是相互作用占主导而纠缠广泛存在,另一个是测量占主导而纠缠受到抑制。

研究团队在一个70量子比特的超导量子处理器中观察到了这两个状态之间的交叉——被称为“测量诱导相变”。研究人员还观察到了一种新型量子隐形传态的特征。在该现象中,一个未知的量子态从一组量子比特转移到另一组量子比特,而这也是测量所诱导的结果。

我们可以把量子比特系统中的纠缠想象成一张错综复杂的连接网。测量对纠缠网的影响取决于其强度,它可以完全摧毁整个网,亦可以剪切和修剪网的某些部分并保留其他部分不变。在实验中要真正看到这张纠缠网是极具挑战性的。研究人员只能通过观察量子比特测量结果的统计关联来推断它的存在,且必须进行很多轮次相同的实验才能推断出网的模式。这些挑战使得过去对测量诱导相变的实验研究限制在了非常小的系统规模上。

利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态(图3)

Credit: Google Quantum AI

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研究团队探索了测量如何从根本上

改变时空中量子信息的结构


为了解决这些挑战,研究人员使用了一些实验技巧。首先,他们重新排布了操作的顺序,以便所有的测量可以在实验结束时一并进行,而非在线路中交错进行,从而降低了实验的复杂性;其次,他们开发了一种新方法,用单个“探针”量子比特来测量网络的某些特征,通过该方法,他们可以从更少的实验轮次中了解更多关于纠缠网的信息;最后,研究人员注意到探针量子比特对环境噪声的敏感性取决于其周围纠缠网的性质,利用探针的噪声灵敏度来推断整个系统的纠缠。

研究团队首先观察了两种纠缠状态下噪声敏感度的差异,发现了明显不同的行为。当测量占主导(解纠缠相)时,探针量子比特只会被有限关联长度内的噪声所影响。相反,当测量较弱且纠缠更广泛(纠缠相)时,探针对整个系统中的噪声敏感。这两种不同行为之间的交叉即是人们长久追寻的测量诱导相变的标志。

该团队还演示了在测量过程中自然产生的新型量子隐形传态。通过测量弱纠缠态中除两个遥远量子比特外的所有量子比特,这两个遥远量子比特之间产生了更强的纠缠。产生这种测量诱导的长距离纠缠的能力使实验中观察到的隐形传态得以实现。利用纠缠相中纠缠态对测量的稳定性,可以设计使量子计算对噪声更鲁棒的新方案。测量在驱动新相和物理现象中所起的作用也是物理学家的根本兴趣所在。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06505-7


报道链接:

https://phys.org/news/2023-10-generate-quantum-entanglement-teleportation.html






利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态(图4)


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利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态(图5)