南非一名博士生破解高維量子密碼，揭示量子糾纏態(tài)的隱藏結(jié)構(gòu)

南非量子光學(xué)領(lǐng)域一名學(xué)生Isaac Nape嶄露頭角，他是金山物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)的一員，其團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)揭示量子糾纏態(tài)隱藏結(jié)構(gòu)的國際研究。這項(xiàng)研究發(fā)表在科學(xué)雜志《自然通訊》上。

Nape正在金山大學(xué)攻讀博士學(xué)位，研究方向是利用光的結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行高維信息編碼和解碼，用于量子通信。

今年早些時(shí)候，Nape在南非物理研究所(SAIP)的會(huì)議上獲得了兩個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)；今年5月，他還獲得了國際光學(xué)與光子學(xué)學(xué)會(huì)(SPIE)頒發(fā)的2021年光學(xué)與光子學(xué)教育獎(jiǎng)學(xué)金，以表彰他在光學(xué)、光子學(xué)或相關(guān)領(lǐng)域的潛在貢獻(xiàn)。

現(xiàn)在，Nape和金山大學(xué)的同事，以及來自蘇格蘭和中國臺灣的合作者，為量子計(jì)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(tài)是我們新興量子技術(shù)的關(guān)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(cuò)誤的量子計(jì)算至關(guān)重要。

“我們在這里所做的是發(fā)明一種新的方法來探測這些‘高維’量子態(tài)，將測量時(shí)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(tài)的維數(shù)和純度》（Measuring dimensionality and purity of high-dimensional entangled states）的論文中，該團(tuán)隊(duì)概述了一種新的量子測量方法，在100維量子糾纏態(tài)上進(jìn)行測試。

在傳統(tǒng)的方法中，測量時(shí)間隨著維度的增加而增加，因此要通過完整的“量子態(tài)斷層掃描”來解開100維度的狀態(tài)將需要幾十年的時(shí)間。但是，這個(gè)團(tuán)隊(duì)展示了量子系統(tǒng)的龐大信息——有多少維度是糾纏的，達(dá)到了什么純度?——可以在幾分鐘內(nèi)推斷出來。新方法只需要簡單的“預(yù)測”，在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室用傳統(tǒng)工具都可以輕松完成。以光為例，該團(tuán)隊(duì)使用全數(shù)字方法進(jìn)行測量。

Nape解釋說，問題在于，雖然高維狀態(tài)很容易產(chǎn)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(tài)想象成骰子的面。傳統(tǒng)的骰子有6個(gè)面，從1到6，這是一個(gè)六維字母，可以用于計(jì)算，或在通信中傳遞信息。制作一個(gè)“高維骰子”意味著骰子有更多的面：100個(gè)維度等于100個(gè)面——一個(gè)極其復(fù)雜的多邊形。

“在我們的日常生活中，通過數(shù)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(gè)骰子，所以數(shù)面是非常困難的。我們解決這個(gè)問題的方法是做斷層掃描，就像醫(yī)學(xué)界所做的那樣，從物體的很多很多切片來構(gòu)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(gè)過程的時(shí)間是令人望而卻步的。一個(gè)更快的方法是“貝爾測量”，這是一個(gè)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(shí)了骰子的量子相關(guān)性，但它并沒有說明骰子有多少面。

“我們的工作通過一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)解決了這個(gè)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(yè)術(shù)術(shù)語來說，我們混合了這兩種測量方法，做了多個(gè)投影，看起來像斷層掃描，但測量結(jié)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(gè)維度的量子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度中提取出來。”

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論文原文：

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

標(biāo)簽： 量子 糾纏態(tài)