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量子纠缠的指纹

量子纠缠是量子计算机的关键特征。然而,我们如何验证量子计算机确实包含大规模纠缠?使用传统方法很困难,因为它们需要大量的重复测量。来自贝尔格莱德大学的AleksandraDimić和来自奥地利科学院和维也纳大学的BorivojeDakić开发了一种新方法,在许多情况下,即使是单次实验也足以证明存在纠缠。他们令人惊讶的结果将发布在自然出版集团的在线开放获取期刊npj Quantum Information中。

量子信息科学的最终目标是开发量子计算机,一种完全成熟的可控设备,利用亚原子粒子的量子态来存储信息。与所有量子技术一样,量子计算基于量子力学的一个特殊特征,即量子纠缠。量子信息的基本单位量子比特需要以这种特定方式相互关联,以便量子计算机充分发挥其潜力。

其中一个主要挑战是确保功能齐全的量子计算机按预期工作。特别是,科学家们需要证明大量的量子比特是可靠的纠缠在一起的。传统方法需要在量子位上进行大量重复测量以进行可靠的验证。重复测量运行的次数越多,关于纠缠的存在就越确定。因此,如果想要在大量子系统中对纠缠进行基准测试,则需要大量的资源和时间,这实际上很难或根本不可能。主要问题出现了:我们能否只用少量的测量试验证明纠缠?

现在,贝尔格莱德大学,维也纳大学和奥地利科学院的研究人员已经开发出一种新的验证方法,该方法需要的资源显着减少,而且在许多情况下,甚至只需要一次测量就可以证明大规模的纠缠置信度。对于来自贝尔格莱德大学的亚历山德拉·迪米奇来说,理解这种现象的最好方法是使用下面的类比:“让我们考虑一台同时抛出十个硬币的机器。我们制造的机器应该生产相关的硬币。我们现在想要验证机器是否产生了预期的结果。想象一下,一个试验显示所有硬币落在尾巴上。这是相关性的明确标志,因为十个独立硬币有0.01%的机会同时降落在同一侧。从这样的事件中,我们证明相关性的存在超过99.9%的置信度。这种情况非常类似于纠缠所捕获的量子相关性。“BorivojeDakić说:”与传统硬币相比,量子比特可以通过许多不同的方式进行测量。测量结果仍然是一系列零和一,但其结构在很大程度上取决于我们如何选择测量单个量子位,“他继续说。”我们意识到,如果我们以一种特殊的方式选择这些测量,纠缠会留下独特的指纹在测量模式中,“他总结道。量子比特可以通过许多不同的方式进行测量。测量结果仍然是一系列零和一,但其结构在很大程度上取决于我们如何选择测量单个量子位,“他继续说。”我们意识到,如果我们以一种特殊的方式选择这些测量,纠缠会留下独特的指纹在测量模式中,“他总结道。量子比特可以通过许多不同的方式进行测量。测量结果仍然是一系列零和一,但其结构在很大程度上取决于我们如何选择测量单个量子位,“他继续说。”我们意识到,如果我们以一种特殊的方式选择这些测量,纠缠会留下独特的指纹在测量模式中,“他总结道。

所开发的方法有望大大减少未来量子器件可靠基准所需的时间和资源。

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