像拼搭乐高积木一样制备量子纠缠态-返朴的财新博客-财新网

将多个粒子的状态进行拆解后重新“组合编排”，这样便会像拼搭乐高积木一样产生出纠缠态。

撰文 | 董唯元

早期研究者制备纠缠关系的思路非常刻板：要么从粒子出生的产房入手，精心设计初始状态，使同时产生的一对粒子具备特定的纠缠关系；要么从粒子间相互作用入手，通过仔细调节的散射条件来实现所需要的纠缠。无论哪种方式，都是极为耗神费力的麻烦事。

1992年，贝尔实验室的Bernard Yurke和David Stoler利用微观粒子的全同性，率先明确提出了一种便捷制备纠缠态的方法，并利用此方法描述了制备贝尔态的具体过程[1, 2]。2019年底，波兰研究者Pawel Blasiak和Marcin Markiewicz将这一方法进一步推广，提出了原则上可以制备任意特定纠缠态的一般性方法，并将成果发表在《自然》杂志上[3]。

粒子全同性，是量子理论所揭示的基本粒子的有趣性质之一。在经典模型中，两个非亲非故的粒子就像沙漠中的两颗砂砾，除非相互接触，否则它们之间不会存在任何关系。而量子理论告诉我们，基本粒子其实是波动着的场的激发，世界上的任意两个X粒子，都是源自同一个X场的激发。所以两个基本粒子更像是同一片水洼中的两颗水滴，总是天生便彼此之间存在着联系。正是这一奇特的属性，为纠缠态的制备提供了先决条件。

在Pawel Blasiak和Marcin Markiewicz介绍的方法中，制备多个粒子纠缠态变成了一项非常简单的任务。简而言之，他们的方法就是将多个粒子的状态进行拆解后重新“组合编排”，这样便会像拼搭乐高积木一样产生出纠缠态。方法的核心就在于这个“编排”过程，具体需要哪种纠缠态，就进行相应的编排即可。

左侧A1, A2,,…, AK为状态输入，右侧B1, B2, …, BK为状态输出。U1, U2, …, UK为初始粒子各自的状态调整，V1, V2, …, VK是输出端各局域的状态拣选。各种不同的编排方式σ共同构成集合SN，其中N标志纠缠态的维度，例如σBell∈S4，σGHZ∈S6。

论文中作者例举了几个很具实用价值的例子：分别对应贝尔态、GHZ态和W态所对应的制备方式。

这一方法对输入端粒子的来源没有任何特殊要求，制备过程也不需要多个粒子之间发生相互作用，而且这一方法对玻色子和费米子同样有效。就像用活字印刷术替代雕版印刷，这种便捷的新方法无疑为量子计算技术早日平民化解决了一个关键问题。

参考资料

[1] Yurke, B. & Stoler, D. Bell’s-inequality experiments using independent-particle sources. Phys. Rev. A 46, 2229 (1992).

[2] Yurke, B. & Stoler, D. Einstein-Podolsky-Rosen Effects from Independent Particle Sources. Phys. Rev. Lett. 68, 1251 (1992).

[3] Blasiak, P., Markiewicz, M. Entangling three qubits without ever touching. Sci Rep 9, 20131 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-55137-3

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