@ 2017.11.11 , 11:00

利用最优量子克隆测定互补性质

在量子力学中,不可能同时精确测定一个量子态的互补性质(比如位置和动量)。而在一项新研究中,物理学家们克隆了量子态,并证实由于克隆体相互纠缠,就有可能同时精确测量互补性质。这些测定反过来揭示了输入量子系统的状态。

以这种方式确定量子态的互补性质不仅有助于理解基本量子物理,也可被用于量子计算、量子加密以及其他技术。

物理学家Guillame S. Thekkadath和渥太华大学的共同作者将该研究发表在了近期的物理评论快报上。

利用最优量子克隆测定互补性质
credit: 煎蛋画师BC

正如物理学家所言,在经典世界中有可能同时精确测定系统的互补状态,从而揭示系统的状态。但正如海森堡在1927年提出的不确定性原理所言,在量子系统中所执行的任何测量都将向该系统引入扰动。

当测量互补性质时,这种扰动最大。例如,测定粒子的位置会干扰其动量,改变量子态。从海森堡那时起,联合测量这一问题就深深吸引了物理学家。

针对联合测量这一问题,物理学家们最近研究了对量子系统进行复制的可能性,然后独立测量系统每个复制体的一个性质。由于分开进行测量,因此将不会相互干扰,但由于复制体的性质与原本体的一样,因此仍能揭示原始量子系统的信息。

这一策略立马遇到了另一个量子限制:由于存在不可克隆定理,因此不可能得到量子态的完美复制。因此该研究的物理学家们转而寻求最类似于复制的量子模拟,也就是最优克隆。克隆体的状态中与输入状态中性质相同的那一部分被称为“双子”。

虽然量子态理论上的完美复制体之间无关联,双子却是纠缠的。物理学家表明,由于这种纠缠,独立测量每个双子的互补性质就等价于同时测量输入状态的互补性质。这就得到了该研究的主要结果:同时测定双子的互补性质给出了原始量子系统的状态(专业地讲,就是波函数)。

Thekkadath说道:“在量子系统中,观测会影响被观测系统的状态,这就阻碍了物理学家们描述单个光子等量子系统。以前,物理学家们成功利用非常柔和的测量(被称为弱测量)来规避这一干扰。”

“我们的工作并非第一个确定量子系统互补性质的,但我们表明可以利用一个不同的策略。这是基于一个相当朴素的想法。假定我们想要测量某个粒子的位置和动量,并且知道这些测量会干扰粒子的状态,那么我们是否能复制这个粒子,然后在某个复制体上测量位置,在另一个复制体上测量动量呢?这就是我们最初的出发点。但结果是仅仅复制并不足够。测定的复制体必须纠缠,才能起作用。”

利用最优量子克隆测定互补性质
credit: 煎蛋画师ZZCW

“这是我们在实验中所展示的。我们并没有确定粒子的位置和动量,而是确定了单个光子的互补极化性质。你可能在直观上觉得这个策略会由于不可克隆定理而失败。但我们表明并非如此,并且这也是我们成果中顶重要的:测量双子的互补性质直接揭示了被复制系统的量子态。”

正如物理学家所解释,这一演示中最重要的一个方面是绕过了不可克隆定理的限制。

Thekkadath解释道:“在我们的日常生活中,信息常被复制,就好比我们影印一份文件,或者体内复制DNA。但在量子层面上,无法不引入噪声或者缺陷地复制信息,这就是不可克隆定理了。但这并不能阻止物理学家们进行尝试。他们提出了名为最优克隆的策略,最小化复制过程引入的噪声量。在我们的工作中,我们更进一步。我们表明有可能利用Holger Hofmann在2012年理论提出的一个巧妙的技巧消除复制体测量中的噪声。我们的结果并未违反不可克隆定理,因为我们并未物理上产生完美的复制体,我们只是复制了在完美复制体上会得到的测量结果。”

在实验中,物理学家利用光子双子演示了一个新方法,但他们期望将在双子上同时精确测量互补性质这一能力移植到量子计算机上,这将催生大量实际的应用,比如有效地直接测量高维量子态。

Thekkadath说道:“确定系统的状态是物理学中一个重要的任务。一旦确定了状态,这个系统的一切就都已知了。这个知识然后就可被用于预测测量结果,验证实验按照预期进行。在产生量子计算机或者量子加密等所需的复杂状态时,这种验证特别重要。”

“一般来讲,量子态是逐层确定的,就好比在CAT扫描中对大脑成像。这种方法有个限制,状态总是全局重构的。相对的,我们的方法可以在任何期望点上确定量子态的值,相对于传统状态确定方法更为有效和直接。”

“我们利用单光子进行实验,验证了我们的方法。但我们的策略也适用于各种其他系统。例如,可在量子计算机上利用单个量子逻辑门实现。我们希望我们的方法能被用于量子计算机中有效地表征复杂量子状态。”

论文原文:DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.050405

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。Lisa Zyga


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