實(shí)現(xiàn)高效量子技術(shù)的線性路徑

?實(shí)驗(yàn)裝置完全由所謂的線性組件組成，如反射鏡、分光鏡和波板，從而確保了可擴(kuò)展性。圖片來(lái)源：La Rici 攝影

斯圖加特大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，許多量子計(jì)算和通信方案的一個(gè)關(guān)鍵要素可以以超過(guò)通常假設(shè)的理論上限的效率來(lái)執(zhí)行，從而為廣泛的光子量子技術(shù)開辟了新的前景。

量子科學(xué)不僅徹底改變了我們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)，還激發(fā)了突破性的新型計(jì)算、通信和傳感器設(shè)備。要在此類 "量子技術(shù) "中利用量子效應(yīng)，通常需要將對(duì)基本量子物理原理的深刻理解、系統(tǒng)的方法論進(jìn)步和巧妙的工程設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。

斯圖加特大學(xué) Stefanie Barz 教授的研究小組和量子科學(xué)與技術(shù)集成中心（IQST）的研究人員在最近的一項(xiàng)研究中正是實(shí)現(xiàn)了這種結(jié)合，他們提高了許多量子設(shè)備的一個(gè)基本構(gòu)件的效率，超越了看似固有的極限。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。

從哲學(xué)到技術(shù)

量子技術(shù)領(lǐng)域的主角之一是一種被稱為量子糾纏的特性。這一概念發(fā)展的第一步涉及阿爾伯特-愛因斯坦和尼爾斯-玻爾之間的激烈辯論。簡(jiǎn)而言之，他們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是如何在多個(gè)量子系統(tǒng)之間共享信息。重要的是，這種共享方式在經(jīng)典物理學(xué)中并不存在。

直到 20 世紀(jì) 60 年代，物理學(xué)家約翰-斯圖爾特-貝爾（John Stewart Bell）設(shè)計(jì)出了一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決分歧的方法。貝爾的框架首先是在光子（光量子）實(shí)驗(yàn)中探索出來(lái)的。這一領(lǐng)域的三位先驅(qū)--阿斯蘭-阿斯佩特（Alain Aspect）、約翰-克勞瑟（John Clauser）和安東-蔡林格（Anton Zeilinger）--因其在量子技術(shù)方面的開創(chuàng)性工作而共同獲得了去年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

貝爾本人于 1990 年去世，但他的名字在所謂的貝爾態(tài)中永垂不朽。貝爾態(tài)描述了兩個(gè)粒子盡可能強(qiáng)烈糾纏的量子態(tài)。貝爾態(tài)一共有四種，貝爾態(tài)測(cè)量--確定量子系統(tǒng)處于四種狀態(tài)中的哪一種--是將量子糾纏應(yīng)用于實(shí)際的重要工具。也許最有名的是，貝爾態(tài)測(cè)量是量子遠(yuǎn)距傳輸?shù)暮诵慕M成部分，而量子遠(yuǎn)距傳輸又使大多數(shù)量子通信和量子計(jì)算成為可能。

但有一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)使用傳統(tǒng)光學(xué)元件（如反射鏡、分光鏡和波板）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，四個(gè)貝爾態(tài)中的兩個(gè)態(tài)具有相同的實(shí)驗(yàn)特征，因此無(wú)法相互區(qū)分。這就意味著，如果只使用這種 "線性 "光學(xué)元件，整體的成功概率（也就是量子瞬移實(shí)驗(yàn)的成功率）將被限制在 50%。還是這樣呢？

所有的鐘聲和口哨聲

這就是巴爾茲研究小組的工作所在。正如他們最近在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上報(bào)告的那樣，博士研究員馬蒂亞斯-巴耶巴赫（Matthias Bayerbach）和西蒙娜-達(dá)奧雷利奧（Simone D'Aurelio）進(jìn)行了貝爾態(tài)測(cè)量，成功率高達(dá) 57.9%。但是，他們是如何達(dá)到現(xiàn)有工具無(wú)法達(dá)到的效率的呢？

他們之所以能取得如此杰出的成果，是因?yàn)樵诩m纏光子對(duì)的同時(shí)使用了另外兩個(gè)光子。人們?cè)诶碚撋弦呀?jīng)知道，這種 "輔助 "光子為進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量提供了一種方法，其效率超過(guò) 50%。然而，實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn)仍然遙不可及。

原因之一是需要精密的探測(cè)器來(lái)分辨撞擊它們的光子數(shù)量。Bayerbach 和 D'Aurelio 通過(guò)使用 48 個(gè)單光子探測(cè)器，以近乎完美的同步方式探測(cè)到達(dá)探測(cè)器陣列的多達(dá)四個(gè)光子的精確狀態(tài)，克服了這一難題。

有了這種能力，研究小組就能檢測(cè)到每種貝爾態(tài)的不同光子數(shù)分布--盡管兩種原本無(wú)法區(qū)分的態(tài)會(huì)有一些重疊，這就是為什么即使在理論上，效率也不會(huì)超過(guò) 62.5%。但是，50% 的障礙已經(jīng)被打破。此外，成功的概率原則上可以任意接近 100%，但代價(jià)是必須添加更多的輔助光子。

光明的前景

再?gòu)?fù)雜的實(shí)驗(yàn)也有不完美之處，在分析數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)該技術(shù)在更大系統(tǒng)中的應(yīng)用時(shí)，必須考慮到這一現(xiàn)實(shí)。因此，斯圖加特的研究人員與美因茨約翰內(nèi)斯-古騰堡大學(xué)的理論家、輔助貝爾態(tài)測(cè)量方案的設(shè)計(jì)者之一 Peter van Loock 教授博士合作。

Van Loock 和 Barz 都是 PhotonQ 合作組織的成員，該組織匯集了來(lái)自德國(guó)各地的學(xué)術(shù)和工業(yè)合作伙伴，致力于實(shí)現(xiàn)一種特定類型的光子量子計(jì)算機(jī)。改進(jìn)的貝爾態(tài)測(cè)量方案是這一合作的首批成果之一。

雖然效率從 50% 提高到 57.9% 似乎并不高，但在需要進(jìn)行大量連續(xù)測(cè)量的情況下，例如在遠(yuǎn)距離量子通信中，它卻具有巨大的優(yōu)勢(shì)。與其他方法相比，線性光學(xué)平臺(tái)必須具有相對(duì)較低的儀器復(fù)雜性，才能實(shí)現(xiàn)這種升級(jí)。

在斯圖加特和巴登-符騰堡州當(dāng)?shù)亓孔由鐓^(qū)的長(zhǎng)期研究合作項(xiàng)目IQST和最近成立的網(wǎng)絡(luò)QuantumBW等倡議的保護(hù)下，我們正在廣泛探索在實(shí)踐中充分利用量子糾纏的機(jī)會(huì)。

參考資料

Matthias J. Bayerbach et al, Bell-state measurement exceeding 50% success probability with linear optics,Science Advances(2023).DOI: 10.1126/sciadv.adf4080

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