科学家们在量子技术方面取得了重大突破，他们推导出了一个精确的数学表达式，该表达式对于将嘈杂的量子纠缠提纯为高级量子计算和通信所需的纯态至关重要。

他们的工作重新审视并修正了二十年前有缺陷的理论，使理论前沿远远超出了实验能力，并为未来的技术突破奠定了基础，以待技术实现赶超。

量子技术建模取得突破

日本理化学研究所（RIKEN）的一名数学物理学家与其合作者共同推导出了一个过程的精确数学表达式，该过程在许多量子技术中发挥着至关重要的作用。这一理论突破有助于加快量子计算和量子通信等领域的进步。

许多下一代量子技术都依赖于量子纠缠，这是一种奇特而强大的现象，爱因斯坦曾将其著名地描述为“远距离的幽灵般的相互作用”。当两个或多个粒子变得深度关联时，便会产生纠缠，以至于对一个粒子的改变会瞬间影响到另一个粒子，即使它们相隔甚远。这些关联产生的量子相关性远远超出了经典物理所能达到的水平。

量子纠缠之谜

为了使量子技术可靠地工作，它们需要纯净、无噪声的纠缠态。然而，由于当前量子系统的不完善，现实实验室中所产生的纠缠态往往较弱且存在噪声。

为了克服这一挑战，科学家们采用了一种名为“纠缠蒸馏”（或“纠缠纯化”）的过程。该技术采用多个嘈杂的纠缠态，并将它们精炼为数量更少但强度更高的纠缠对，以更接近实际应用所需的理想状态。

“纠缠纯化至关重要，因为量子协议所需的纯纠缠与我们能在实验室制备的带噪声纠缠之间存在差距，”理研量子计算中心 (RIKEN Center for Quantum Computing) 的巴尔托什·雷古拉 (Bartosz Regula) 解释道。

弥合理论与实践之间的鸿沟

但从数学角度确定如何从嘈杂的量子态中快速提取纠缠态极具挑战性。

雷古拉（Regula）说：“除了一些非常特殊的情况外，我们无法评估纠缠提纯的效率。这极大地限制了我们对纠缠提纯的理解。”

现在，荷兰阿姆斯特丹大学的瑞古拉（Regula）和路多维科·拉米（Ludovico Lami）得出了不严格条件下的精确表达式。这是该领域第二次得出此类精确表达式。

这一进展有助于阐明一个已有二十年历史的问题。雷古拉指出：“大约二十年前的一系列论文声称已经证明了纠缠提纯与相对熵之间存在某些联系。但近年来，这些问题重新受到了人们的关注，因为他们所依据的原始数学证明被发现存在缺陷。”

重访一个持续二十年的量子难题

当找到一个精确的表达式时，雷古拉感到十分惊讶。“我们之前怀疑可能存在某种关联，”雷古拉说，“但当我们找到一个精确的表达式时，还是感到十分惊喜。”

因为这个表达式基于涉及大量量子态的近似值，所以在实验达到表达式可应用的规模之前，还需要一段时间。

雷古拉（Regula）说：“这是一个理论远远超前于实验的例子。要看到这些速率，我们需要同时操控许许多多的量子系统，但实验人员目前还只能操控几十个或几百个量子比特。”

参考文献：2024年11月22日发表于《自然-通讯》的文章《在双重非纠缠操作下的可蒸馏纠缠》，作者为路多维科·拉米和巴尔托什·雷古拉。DOI：10.1038/s41467-024-54201-5

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