谷歌和斯坦福大学利用测量来产生量子纠缠和隐形传态

近日，谷歌量子人工智能和斯坦福大学的研究人员在多达 70 个量子比特的系统中，利用测量来产生量子纠缠和隐形传态，这是迄今为止探索测量诱发效应的最大系统。

相关研究以“Measurement-induced entanglement and teleportation on a noisy quantum processor”为题发表于《Nature》[1]。

测量，神奇的存在

量子力学充满了奇怪的现象，但也许没有一个比测量在理论中扮演的角色更奇怪的了。由于测量往往会破坏系统的“量子态”，因此它似乎是量子世界和经典世界之间的神秘联系。

与物质的固相、液相和气相类似，量子信息的组织也可以呈现不同的相。然而，与我们日常生活中熟悉的物质相不同，量子信息的相更难表述和观察，因此直到最近还只是一个理论上的梦想。

测量可以说是量子力学中最奇怪的方面。直觉告诉我们，状态具有某些确定的属性，并且测量揭示了该属性。然而，量子力学中的测量产生本质上随机的结果，并且测量行为不可逆地改变状态本身，换句话说，在量子系统中，当量子比特彼此相互作用时，它们的信息会以“纠缠态”非局域共享。但如果你测量这个系统，纠缠就会被破坏。

纠缠态的坍塌还可能导致诸如“隐形传送”之类的怪异现象，从而不可挽回地改变支配我们日常经验的“时间之箭”（时间朝一个方向前进的概念）。

换句话说，测量可用于从根本上重组空间和时间中的量子信息结构。

据《Nature》杂志报道，谷歌量子人工智能和斯坦福大学的研究人员合作，在多达 70 个量子比特的谷歌量子系统上的测量中观察到了这测量与纠缠两种状态之间的交叉，即“测量引起的相变”。

这是迄今为止最大的新型测量诱导量子信息相的实验演示，这一壮举曾被认为超出了实验所能实现的范围。

图｜谷歌量子人工智能和斯坦福大学的研究人员探索了测量如何从根本上改变时空量子信息的结构。（来源：Google Quantum AI）

该研究由物理学研究生、斯坦福大学量子科学与工程计划（Q-FARM）研究员Jesse Hoke、物理学系前博士后Matteo Ippoliti和资深作者、斯坦福大学人文与科学学院物理学副教授Vedika Khemani共同领导。

这里，Hoke、Ippoliti 和 Khemani 讨论了他们是如何观测到量子信息的测量诱导相位的，除此之外，还讨论了他们的新见解是如何帮助为量子科学和工程学的进步铺平道路的。

问题：这项研究中研究的各个阶段有何区别？什么是隐形传态？

Ippoliti：在最简单的情况下，有两个阶段。在一个阶段，系统中的量子信息结构形成一个紧密连接的网络，其中量子比特共享大量纠缠，即使在较大的空间距离或时间间隔下也是如此。另一方面，系统是弱连接的，因此纠缠等相关性会随着距离或时间的推移而迅速衰减。这是我们在实验中探讨的两个阶段。强纠缠相使得隐形传态成为可能，当一个量子比特的状态通过测量除这两个量子比特之外的所有量子比特而立即传输或“隐形传”到另一个遥远的量子比特时，就会发生隐形传态。

图｜物理学系前博士后Matteo Ippoliti

问题：您如何控制相变发生的时间？

Khemani：起作用的竞争力量是量子比特之间的相互作用，这往往会产生纠缠，而量子比特的测量则可能会破坏纠缠。这就是量子力学著名的“波函数坍缩”——想象一下当我们打开盒子时，薛定谔的猫“坍缩”成两种状态之一（死或活）。然而，由于纠缠，崩溃不仅限于我们直接测量的量子比特，还会影响系统的其余部分。通过控制量子计算机上测量的强度或频率，我们可以引发纠缠相和解纠缠相之间的相变。

图｜斯坦福大学人文与科学学院物理学副教授Vedika Khemani

问题：您的团队在测量量子态时需要克服哪些挑战，您是如何做到的？

Ippoliti：量子力学的测量本质上是随机的，这使得观察这些相变得非常具有挑战性。这是因为我们实验的每次重复都会产生不同的、看起来随机的量子态。这是一个问题，因为检测纠缠（将我们的两个相分开的特征）需要对同一状态的许多副本进行观察。为了解决这个困难，我们开发了一种诊断方法，将量子处理器的数据与经典计算机的模拟结果进行交叉关联。这种混合量子经典诊断使我们能够看到多达 70 个量子比特的不同阶段的证据，使其成为迄今为止最大的数字量子模拟和实验之一。

Hoke：另一个挑战是量子实验目前受到环境噪音的限制。纠缠是一种脆弱的资源，很容易被外部环境的相互作用破坏，这是量子计算的主要挑战。在我们的设置中，我们探测系统量子比特之间的纠缠结构，如果系统没有完全隔离而是与周围环境纠缠在一起，该结构就会被破坏。我们通过设计一种使用噪声作为特征而不是缺陷的诊断来解决这一挑战——两个相（弱纠缠和强纠缠）以不同的方式响应噪声，我们用它作为相的探针。

Khemani：此外，我们还利用了“时间之箭”随着测量引起的隐形传态而失去意义的事实。这使我们能够以有利的方式重新组织量子计算机上的操作顺序，以减轻噪声的影响，并设计出时空量子信息组织的新探针。

问题：研究结果意味着什么？

Khemani：在基础科学层面，我们的实验展示了新现象，扩展了我们熟悉的“相结构”概念。我们现在不再将测量仅仅视为探针，而是将它们视为量子动力学的内在部分，它可用于创建和操纵新颖的量子相关性。在应用层面，使用测量来稳健地生成结构化纠缠正在激发新的方法，使量子计算对噪声具有更强的鲁棒性。具体来说，我们对量子信息和动力学的一般阶段的理解仍处于初级阶段，还有许多令人兴奋的惊喜等待着我们。

引用：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06505-7

[2]https://phys.org/news/2023-10-generate-quantum-entanglement-teleportation.html

[3]https://humsci.stanford.edu/feature/quantum-measurements-induce-new-phases-entanglement

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