突破量子极限：从爱因斯坦-玻尔之争到实现“不可企及”的效率-这是号

在Barz小组用两级干涉仪进行的实验中，辅助光子被用来为所有四个贝尔态产生不同的测量模式，将效率提高到超过50%的传统极限。图片来源:Jon Heras, Cambridge Illustrators

斯图加特大学的研究人员进行了演示说明了许多量子计算和通信方案的关键组成部分可以以超过普通效率的方式执行仅假设理论上限-从而为广泛的照片开辟了新的视角Nic量子技术。

量子科学不仅彻底改变了我们对自然的理解，而且还激发了突破性的新计算、通信和传感器设备。在这种“量子技术”中利用量子效应通常需要对潜在的量子物理原理有深入的了解，系统的方法进步，以及聪明的工程技术。斯图加特大学Stefanie Barz教授和集成量子科学与技术中心(IQST)的研究人员在最近的研究中提供的正是这种组合，他们提高了许多量子器件的基本组成部分的效率，超越了看似固有的限制。

历史基础:从哲学到技术

量子技术领域的主角之一是被称为量子纠缠的特性。这一概念发展的第一步涉及阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间的激烈辩论。简而言之，他们的争论是关于如何在几个量子系统之间共享信息。重要的是，这可能以经典物理学中没有类比的方式发生。

爱因斯坦和玻尔开始的讨论在很大程度上仍然停留在哲学层面，直到20世纪60年代，物理学家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)想出了一种通过实验解决分歧的方法。贝尔的框架最初是在光子实验中探索的，光子是光的量子。这一领域的三位先驱——阿兰·奥派森、约翰·克劳瑟和安东·塞林格——因其在量子技术方面的开创性工作而共同获得了去年的诺贝尔物理学奖。

贝尔本人于1990年去世，但他的名字在所谓的贝尔州不朽。这些描述了两个粒子的量子态，它们尽可能强地纠缠在一起。一共有四种贝尔态，而贝尔态测量——确定量子系统处于四种状态中的哪一种——是将量子纠缠付诸实践的重要工具。也许最著名的是，贝尔态测量是量子隐形传态的核心组成部分，这反过来又使大多数量子通信和量子计算成为可能。

实验装置完全由所谓的线性组件组成，如镜子、分束器和波片，这确保了可扩展性。图片来源:La Rici Photography

但是有一个问题:当实验使用传统的光学元件，如镜子、分束器和波片进行时，四个贝尔态中的两个具有相同的实验特征，因此彼此无法区分。这意味着，如果只使用这种“线性”光学元件，那么成功的总体概率(以及量子隐形传态实验的成功率)本质上被限制在50%。是吗?

超越限制的飞跃:伴随着所有的铃铛和哨子

这就是Barz小组工作的切入点。正如他们最近在《科学进展》杂志上所报道的那样，博士研究员Matthias Bayerbach和Simone D 'Aurelio进行了贝尔状态测量，他们的成功率达到了57.9%。但它们是如何达到现有工具无法达到的效率的呢?

他们突出的结果是通过使用两个额外的光子与纠缠光子对串联而实现的。理论上已经知道，这种“辅助”光子提供了一种以超过50%的效率进行贝尔态测量的方法。然而，实验实现仍然难以捉摸。其中一个原因是需要复杂的探测器来分辨撞击它们的光子数量。

Bayerbach和D 'Aurelio克服了这一挑战，他们使用48个单光子探测器以近乎完美的同步方式工作，探测到达探测器阵列的至多4个光子的精确状态。有了这种能力，该团队能够检测到每个贝尔状态的不同光子数分布——尽管两个最初无法区分的状态有一些重叠，这就是为什么即使在理论上，效率也不能超过62.5%。但是50%的门槛已经被打破了。此外，原则上，成功的概率可以任意接近100%，代价是必须增加更多的辅助光子。

光明的未来

此外，最复杂的实验也存在缺陷，在分析数据和预测该技术如何适用于更大的系统时，必须考虑到这一现实。因此，斯图加特的研究人员与彼得·范·洛克教授合作，他是美因茨约翰内斯·古腾堡大学的理论家，也是辅助钟态测量方案的设计者之一。Van lock和Barz都是bmbf资助的PhotonQ合作项目的成员，该项目汇集了来自德国各地的学术和工业合作伙伴，致力于实现特定类型的光子量子计算机。改进的贝尔状态测量方案现在是这一合作努力的首批成果之一。

虽然效率从50%提高到57.9%似乎不大，但在需要进行大量连续测量的情况下，例如在长距离量子通信中，它提供了巨大的优势。对于这种升级，与其他方法相比，线性光学平台具有相对较低的仪器复杂性是至关重要的。

现在由Barz小组建立的方法扩展了我们的工具集，以便在实践中充分利用量子纠缠-在斯图加特和巴登-符腾堡州的本地量子社区中，在诸如长期研究合作伙伴IQST和最近成立的网络QuantumBW等倡议的保护下，正在广泛探索这些机会。

参考文献:“线性光学的贝尔态测量成功率超过50%”，Matthias J. Bayerbach, Simone E. D 'Aurelio, Peter van lock和Stefanie Barz, 2023年8月9日，Science Advances。DOI: 10.1126 / sciadv.adf4080

这项工作得到了卡尔蔡司基金会、综合量子科学与技术中心(IQST)、德国研究基金会(DFG)、联邦教育和研究部(BMBF，项目siisiq和PhotonQ)以及联邦经济事务和气候行动部(BMWK，项目PlanQK)的支持。