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转化量子态的催化配方

硬件 时间:2021-11-30 22:50:04 匿名用户

华沙大学的量子物理学家发现了量子催化的新应用,工业上使用的化学催化量子当量揭示了量子催化剂在许多比以前已知的设置中有用。这一突破可能在未来的量子密钥分发网络或分布式量子计算中发挥关键作用。

来自波兰华沙大学量子光学技术中心的量子物理学家团队已经找到了一个完整的解决方案,解决从一个初始量子态到另一个所需量子态的催化转化是否可能的难题。他们于2021年10月5日发表在《物理评论快报》上的研究结果证明了催化剂在促进量子过程和量化量子信息处理可用纠缠量方面的效用。这一突破尤其适用于涉及两个或两个以上远程实验室的任何量子技术;例如,量子密钥分发网络或分布式量子计算。

纠缠是量子力学的一个关键特征,事实上,大多数正在开发的量子技术。在最简单的形式中,它发生在两个遥远的当事人之间,比如爱丽丝和鲍勃。一个给定的量子系统的纠缠度是由它的纠缠熵决定的,这提供了有关Alice和Bob之间量子通信效率的信息。

在这项工作之前,纠缠熵只有在双方交换许多信号时才有意义,与Tulja Varun Kondra和Chandan Datta共同撰写这篇论文的亚历山大·斯特列佐夫(Alexander Streltsov)解释道:“如果你只掷一次硬币,那么即使你知道这枚硬币是公平的,你也不会知道任何关于掷硬币结果的事情——熵只是渐进地有意义的,”他说。“类似地,对于纠缠熵,如果爱丽丝和鲍勃只共享一个量子态的实例,熵就没有多大意义。”

为了克服这个问题,国际研究小组理论上在混合物中引入了一种缠结催化剂。

与工业上用于提高化学反应速率而不会在过程中被消耗的催化剂一样,缠结催化剂是量子系统,不会因所考虑的过程而改变,但会影响过程,使没有它们就不可能进行转换。缠结催化剂的具体例子早在1999年就提出了诱导转变的lysts,但之前还不知道通过添加催化剂可以实现哪些其他量子态。

Streltsov及其合作者从理论上证明,在合适的催化剂存在下,即使纯量子态只有一个实例可用,纠缠熵也具有物理意义,事实上,纠缠熵完全表征了这种情况下的变换。由此,研究人员展示了如何预测哪些转换确实是可能的或不可能的。Streltsov证实:“我们已经找到了催化转化是否可能的完整解决方案。”。

这一新知识有许多实际的未来应用。例如,在量子密码学中,如果Alice和Bob想要建立安全通信,他们可以共享所谓的单重态。单态是两个量子比特的最佳量子态。如果Alice持有一个量子位元,Bob持有另一个量子位元,那么通过执行某种协议,他们可以提取出一个完全安全的密钥。Streltsov及其同事的工作提供了一种方法,可以知道哪些量子态可以转化为单态,然后由Alice和Bob使用。

Streltsov及其同事将他们的方法应用于比将一个量子态转换为另一个量子态更复杂的量子信息任务中,揭示了催化剂如何提高量子态合并的效率,这是一种利用纠缠和经典通信优化信息发送的方式。在其他用途中,这些结果可用于显示纠缠催化剂如何使噪声态在量子密码中发挥作用。Streltsov说:“如果这个州有很多噪音,那么最终标准的量子密码协议不会给你一个好的结果。”。但是,如果通过在(比如)嘈杂的光纤的每一端添加一个缠结催化剂来增强这个过程,那么量子比特就可以在不破坏这个过程的情况下进行交换。Streltsov补充道:“即使光纤非常嘈杂,原则上我们也可以达到非常好的效率。”。

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