南非一名博士生破解高維量子密碼，揭示量子糾纏態的隱藏結構

南非量子光學領域一名學生Isaac Nape嶄露頭角，他是金山物理學家團隊的一員，其團隊領導了一項揭示量子糾纏態隱藏結構的國際研究。這項研究發表在科學雜志《自然通訊》上。

Nape正在金山大學攻讀博士學位，研究方向是利用光的結構模式進行高維信息編碼和解碼，用于量子通信。

今年早些時候，Nape在南非物理研究所(SAIP)的會議上獲得了兩個獎項；今年5月，他還獲得了國際光學與光子學學會(SPIE)頒發的2021年光學與光子學教育獎學金，以表彰他在光學、光子學或相關領域的潛在貢獻。

現在，Nape和金山大學的同事，以及來自蘇格蘭和中國臺灣的合作者，為量子計算和通信提供了一種新的、快速的工具。“在許多維度中糾纏的量子態是我們新興量子技術的關鍵，更多維度意味著更高的量子帶寬(更快)和更好的抗噪聲(安全)，這對快速和安全的通信和加速無錯誤的量子計算至關重要。

“我們在這里所做的是發明一種新的方法來探測這些‘高維’量子態，將測量時間從幾十年減少到幾分鐘。” Nape解釋道。

在題為《測量高維糾纏態的維數和純度》（Measuring dimensionality and purity of high-dimensional entangled states）的論文中，該團隊概述了一種新的量子測量方法，在100維量子糾纏態上進行測試。

在傳統的方法中，測量時間隨著維度的增加而增加，因此要通過完整的“量子態斷層掃描”來解開100維度的狀態將需要幾十年的時間。但是，這個團隊展示了量子系統的龐大信息——有多少維度是糾纏的，達到了什么純度?——可以在幾分鐘內推斷出來。新方法只需要簡單的“預測”，在大多數實驗室用傳統工具都可以輕松完成。以光為例，該團隊使用全數字方法進行測量。

Nape解釋說，問題在于，雖然高維狀態很容易產生，特別是糾纏在一起的光粒子(光子)，但它們不容易測量——我們用來測量和控制它們的工具箱幾乎是空的。

你可以把高維量子態想象成骰子的面。傳統的骰子有6個面，從1到6，這是一個六維字母，可以用于計算，或在通信中傳遞信息。制作一個“高維骰子”意味著骰子有更多的面：100個維度等于100個面——一個極其復雜的多邊形。

“在我們的日常生活中，通過數面來了解我們可以利用的資源很容易，但在量子世界中就不是這樣了。在量子世界里，你不可能看到整個骰子，所以數面是非常困難的。我們解決這個問題的方法是做斷層掃描，就像醫學界所做的那樣，從物體的很多很多切片來構建圖像。” Nape解釋道。 

但量子物體中的信息可能是巨大的，所以這個過程的時間是令人望而卻步的。一個更快的方法是“貝爾測量”，這是一個著名的測試，用來判斷你面前的東西是否被糾纏，比如問它“你是不是量子?”雖然這證實了骰子的量子相關性，但它并沒有說明骰子有多少面。

“我們的工作通過一個偶然的發現解決了這個問題，即有一組測量不是斷層掃描，也不是貝爾測量，但它包含了這兩種測量的重要信息。” Nape說。“用專業術術語來說，我們混合了這兩種測量方法，做了多個投影，看起來像斷層掃描，但測量結果的可見性，就像貝爾測量一樣。這揭示了隱藏的信息，可以從多個維度的量子關聯強度中提取出來。”

前瞻經濟學人APP資訊組

論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25447-0

標簽： 量子 糾纏態