我国科学家在量子纠缠研究中取得重要进展

我国科学家在量子纠缠研究中取得重要进展记者3月29日从中国科学技术大学获悉，该校郁司夏、孙亮亮、周祥与安徽大学许振朋及瑞典隆德大学研究人员等合作，发现原本只是探测纠缠有无的实验数据可以用来估计纠缠大小。相关研究成果日前发表于国际权威学术期刊《物理评论快报》。量子纠缠是量子理论的基础概念和量子信息中的核心资源，量子纠缠研究的两大基本任务是纠缠的检测和度量。在实验中，有效的探测和估计纠缠大小是完成多种信息任务的先决条件，特别是纠缠的大小估计，决定了纠缠这一珍贵资源的使用效能。（新华社）

揭开量子世界的神秘面纱：科学家实时捕捉光子的量子纠缠

揭开量子世界的神秘面纱：科学家实时捕捉光子的量子纠缠一项基于先进照相技术的新技术展示了一种快速高效地重建纠缠粒子完整量子态的方法。渥太华大学的研究人员与罗马萨皮恩扎大学的达尼洛-齐亚（DaniloZia）和法比奥-斯基亚里诺（FabioSciarrino）合作，最近展示了一种新技术，能够实时可视化两个纠缠光子（构成光的基本粒子）的波函数。用一双鞋作比喻，纠缠的概念可以比作随机选择一只鞋。当你辨认出一只鞋子的那一刻，另一只鞋子的性质（是左鞋还是右鞋）就会立刻被分辨出来，而不管它在宇宙中的位置如何。然而，耐人寻味的是，在观察的确切时刻之前，与识别过程相关的固有不确定性。波函数是量子力学的核心原理，它提供了对粒子量子态的全面理解。例如，在鞋子的例子中，鞋子的"波函数"可以携带左右、大小、颜色等信息。更准确地说，波函数能让量子科学家预测对量子实体进行各种测量的可能结果，如位置、速度等。照片（从左到右）：AlessioD'Errico博士、EbrahimKarimi博士和NazaninDehghan。图片来源：渥太华大学这种预测能力非常宝贵，尤其是在飞速发展的量子技术领域，了解量子计算机产生或输入的量子态，将使我们能够测试计算机本身。此外，量子计算中使用的量子态极其复杂，涉及许多可能表现出强非局部相关性（纠缠）的实体。了解这样一个量子系统的波函数是一项极具挑战性的任务--这也被称为量子态层析成像或量子层析成像。采用标准方法（基于所谓的投影运算）进行全面层析需要大量测量，而测量次数会随着系统复杂度（维度）的增加而迅速增加。该研究小组以前用这种方法进行的实验表明，表征或测量两个纠缠光子的高维量子态可能需要几个小时甚至几天的时间。此外，结果的质量对噪声非常敏感，并取决于实验装置的复杂程度。量子层析成像的投影测量方法可以理解为观察从独立方向投射到不同墙壁上的高维物体的影子。研究人员所能看到的只是这些阴影，而从这些阴影中，他们可以推断出整个物体的形状（状态）。例如，在CT扫描（计算机断层扫描）中，可以从一组二维图像中重建三维物体的信息。不过，在经典光学中，还有另一种重建三维物体的方法。这种方法被称为数字全息术，其基础是通过将物体散射的光与参考光进行干涉而获得的单幅图像，即干涉图。由加拿大结构量子波研究主席、渥太华量子技术联合研究所（NexQT）联合主任、理学院副教授EbrahimKarimi领导的研究小组将这一概念扩展到了双光子的情况。重构双光子态需要将其与假定的众所周知的量子态叠加，然后分析两个光子同时到达的位置的空间分布。对同时到达的两个光子进行成像被称为巧合成像。这些光子可能来自参考源，也可能来自未知源。量子力学指出，光子的来源无法确定。这就产生了一种干涉模式，可用于重建未知波函数。先进的照相机能以纳秒（1,000,000,000秒）的分辨率记录每个像素上的事件，使这项实验成为可能。论文共同作者之一、渥太华大学博士后AlessioD'Errico博士强调了这一创新方法的巨大优势："这种方法比以前的技术快了数倍，只需要几分钟或几秒钟，而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响--这是解决投影层析成像中长期存在的可扩展性难题的一种方法。"这项研究的影响不仅限于学术界。它有可能加速量子技术的进步，如改进量子态表征、量子通信和开发新的量子成像技术。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387125.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387125.htm

科学家证明不存在"第二纠缠定律"

科学家证明不存在"第二纠缠定律"只有熵和能量相等的状态才能从一个可逆地转换到另一个。这种可逆性条件导致了热力学过程的发现，如（理想化的）卡诺循环，它为人们如何有效地将热量转化为功，或通过不同温度和压力的封闭系统循环提出了一个上限。我们对这一过程的理解支撑了西方工业革命期间的快速经济发展。热力学第二定律的魅力在于它适用于任何宏观系统，而不考虑微观细节。在量子系统中，这些细节之一可能是纠缠：一种量子连接，使系统中分离的组件共享属性。耐人寻味的是，量子纠缠与热力学有许多深刻的相似之处，尽管量子系统大多在微观系统中被研究。科学家们发现了一个"纠缠熵"的概念，它精确地模仿了热力学熵的作用，至少对于与周围环境完全隔离的理想化量子系统是如此。"量子纠缠是一种关键资源，它是未来量子计算机的大部分力量的基础。"量子信息研究员卢多维科-拉米说："为了有效利用它，我们需要学习如何操纵它。一个基本的问题是，纠缠是否总是可以被可逆地操纵，直接类似于卡诺循环。至关重要的是，这种可逆性至少在理论上需要成立，甚至对于没有与环境完全隔离的嘈杂（混合）量子系统也是如此。"有人猜想可以建立一个"纠缠第二定律"，它体现在一个单一的函数中，该函数将概括纠缠熵并管理所有纠缠操作协议。这个猜想在量子信息论的一个著名的开放问题清单中得到了体现。并没有纠缠第二定律拉米（曾在乌尔姆大学工作，目前在QuSoft和阿姆斯特丹大学工作）和巴托斯-雷古拉（东京大学）进行的研究解决了这个长期存在的开放性问题，证明操纵纠缠从根本上是不可逆的，从而使建立纠缠第二定律的任何希望破灭。这个新的结果依赖于一个特定量子态的构建，而这个量子态使用纯纠缠来创建是非常"昂贵"的。创造这种状态总是会导致这种纠缠的一些损失，因为投入的纠缠不能完全恢复。因此，从本质上讲，将这种状态转化为另一种状态并再次转化是不可能的。这种状态的存在以前是未知的。因为这里使用的方法并不预设使用什么确切的转换协议，它排除了所有可能情况下的纠缠的可逆性。它适用于所有协议，假设它们本身不产生新的纠缠。拉米解释说。"使用纠缠操作就像经营一家酒厂，在酒厂中，来自其他地方的酒精被秘密地添加到饮料中。"拉米："我们可以得出结论，没有一个单一的数量，如纠缠熵可以告诉我们关于纠缠物理系统的允许转变的一切。因此，纠缠理论和热力学是由根本不同的、不相容的几套法则所支配的。"这可能意味着描述量子纠缠并不像科学家希望的那样简单。然而，与经典的热力学定律相比，纠缠理论的巨大复杂性非但没有成为一个缺点，反而可能使我们能够利用纠缠来实现一些本来完全无法想象的创举。"拉米总结说："就目前而言，我们可以肯定的是，纠缠隐藏着一个更丰富、更复杂的结构，而这是我们曾经给予它的评价。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1344767.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1344767.htm

科学家开发出能产生量子纠缠光子网的超薄超表面

科学家开发出能产生量子纠缠光子网的超薄超表面桑迪亚国家实验室和马克斯-普朗克研究所的科学家们已经开发出一种方法，它可以使用比平时简单得多的设置来生产量子纠缠光子网。其关键则是一个厚度只有纸的1/100的精确图案表面，它可以取代一屋子的光学设备。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1316551.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1316551.htm

中国科学家构建国际首个基于纠缠的城域量子网络

中国科学家构建国际首个基于纠缠的城域量子网络近日，中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等科研人员首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米整整提升了三个数量级至几十公里，为后续开展盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。相关研究成果于5月15日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由几十米提升至几十公里，为后续开展分布式量子计算、分布式量子传感等量子网络应用奠定基础。该工作是国际首个城域多节点量子网络实验。

科学家用纠缠电子构成的准粒子制造人造量子磁体

科学家用纠缠电子构成的准粒子制造人造量子磁体艺术插图描绘了钴-酞菁分子的磁激发，其中纠缠的电子传播成三重子。资料来源：JoseLado/AaltoUniversity"这些材料非常复杂。它们能提供非常令人兴奋的物理学，但最奇特的材料也很难找到和研究。"阿尔托大学原子尺度物理学研究小组组长彼得-利尔耶罗斯教授说："因此，我们正在尝试一种不同的方法，利用单个成分构建人工材料。量子材料受微观层面电子间相互作用的支配。这些电子关联导致了不寻常的现象，如高温超导或复杂磁态，而量子关联又产生了新的电子态。在两个电子的情况下，存在两种纠缠态，即单重态和三重态。向电子系统提供能量可以将其从单重态激发到三重态。在某些情况下，这种激发会以一种称为三重态（triplon）的纠缠波在材料中传播。传统磁性材料中不存在这种激发，因此测量这种激发一直是量子材料领域的一项挑战。在这项新研究中，研究小组利用小型有机分子创造了一种具有不同寻常磁性能的人工量子材料。实验中使用的每个钴-酞菁分子都含有两个前沿电子。德罗斯特说："利用非常简单的分子构件，我们能够以一种前所未有的方式设计和探测这种复杂的量子磁体，揭示其独立部分所不具备的现象。虽然人们早已利用扫描隧道光谱法观测到了孤立原子中的磁激发，但还从未利用传播的三重子完成过这一观测。我们利用这些分子把电子捆绑在一起，把它们装进一个狭小的空间，迫使它们相互作用，从外部观察这样的分子，我们会看到两个电子的联合物理学。因为我们的基本构件现在包含两个电子，而不是一个，所以我们看到的是一种非常不同的物理学。"研究小组首先监测了单个钴-酞菁分子的磁激发，随后监测了分子链和分子岛等较大结构的磁激发。研究人员希望通过从非常简单的现象入手，逐步提高复杂性，从而了解量子材料中的突现行为。在目前的研究中，研究小组可以证明，其构建模块的单三重激发可以作为被称为三重子的奇异磁性准粒子穿越分子网络。"我们的研究表明，我们可以在人造材料中产生奇异的量子磁激发。"这项研究的共同作者之一、阿尔托大学相关量子材料研究小组负责人何塞-拉多（JoseLado）助理教授说："这一策略表明，我们可以合理地设计材料平台，为量子技术开辟新的可能性。"研究小组计划将他们的研究方法扩展到更复杂的构件，以设计量子材料中其他奇异的磁激发和有序化。从简单成分出发进行合理设计，不仅有助于理解相关电子系统的复杂物理，还能为设计量子材料建立新的平台。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379219.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379219.htm