量子物理學家實現了量子糾纏的新記錄

上圖示意出了產生的新奇的量子態的概念圖。在20個單原子串中產生量子糾纏。觀察到的相鄰原子之間的糾纏（藍色），三原子糾纏（粉紅色），四原子糾纏（紅色）和五原子糾纏（黃色），由於系統過於複雜，現有的技術難以進行描述。來源：因斯布魯克大學量子光學和量子信息中心。

糾纏對於二十一世紀的新量子技術至關重要。一個來自德國奧地利研究小組現在提出了迄今為止最大的獨立可控量子糾纏寄存器，由20個量子比特組成。因斯布魯克大學物理學家，維也納大學和烏爾姆大學的研究人員推動了目前可能達到的極限的實驗和理論方法。

一些新的量子技術，從極其精確的感測器到通用量子計算機，都需要大量的量子比特，以利用量子物理學的優點。因此，全世界的物理學家都致力於用更多的量子比特實現糾纏系統。目前記錄是由在因斯布魯克大學的Rainer Blatt的研究小組在實驗物理研究院實現的。

2011年，物理學家首次將14個獨立定址的量子比特糾纏在一起，從而實現了最大的全糾纏量子寄存器。現在，一個由奧地利科學院的Ben Lanyon和Rainer Blatt領導的研究小組在量子光學和量子信息研究所（iqoqi），與來自烏爾姆大學和維也納量子光學和量子信息研究所的理論家一起，實現了在20個量子比特系統中控制的多粒子糾纏態。研究人員能夠檢測到所有相鄰的三、四和五量子比特之間的多粒子糾纏。

真實的多粒子糾纏

物理上，糾纏粒子不能被描述為具有定義狀態的單個粒子，但只能作為一個完整的系統。當涉及眾多粒子時，理解糾纏是特別困難的。在這裡，必須區分單個粒子的糾纏和真正的多粒子糾纏。這隻能被理解為有關所有粒子的整體系統的屬性，而不能被子系統的糾纏所解釋。

在因斯布魯克大學的量子光學和量子信息研究所，使20個鈣原子實現量子糾纏的離子阱實驗，激光物理學家團隊觀察到在這個系統中具有多粒子糾纏態的動態擴展情況。「粒子開始糾纏對，」 Lanyon描述了這一結論。「通過我們在維也納和烏爾姆的同事開發的方法，我們可以證明給所有鄰近粒子三原子的糾纏的進一步研究情況，很多的四原子和少數五原子糾纏。

這些檢測方法是維也納量子光學和量子信息中心的Marcus Huber研究團隊和烏爾姆大學的Martin Plenio的研究小組共同開發。「我們選擇了一個MacGyver的方法，」論文的第一作者Nicolai Friis說。「我們必須找到一種方法來檢測多粒子糾纏與少量可行的測量設置。」

研究人員採用了一種互補的方法：Huber和Friis的小組使用的方法，只需要很少的測量，其結果可以很容易進行評估。這樣，三粒子的糾纏就可以在實驗中得到證明。來自烏爾姆的理論家們使用了更複雜的基於數值方法的技術。「雖然這種技術是有效的，但它也達到了極限，因為隨著量子比特數的增加計算量也在急劇增加，」Martin Plenio的研究小組的Oliver Marty說。「這就是為什麼這種方法在隨著檢測真正的五粒子糾纏時變得不再可用。」

邁嚮應用的一大步

「有量子系統如超冷氣體中大量粒子之間的糾纏已經被發現了，」Nicolai Friis說。「然而，因斯布魯克大學的實驗能夠獨立地讀出和讀出每一個量子比特，因此它適用於量子模擬或量子信息處理等實際應用。」Rainer Blatt和他的團隊希望增加實驗中的量子比特數。「我們的中期目標是50個粒子。這可以幫助我們解決當今最好的超級計算機仍然無法完成的問題。」

因斯布魯克大學的離子阱實驗中開發的這種新方法將得到更加廣泛的應用，在烏爾姆大學和維也納大學的物理學家們確信。「我們要突破我們這種方法的極限，甚至更進一步，」 Friis 和Marty說。「通過利用對稱性和聚焦於一定的觀測值，我們可以進一步優化這些方法來檢測更廣泛的多粒子糾纏。」

這項研究發表在《物理評論Physical Review X》雜誌上。

來源：https://phys.org/news/2018-04-quantum-physicists-entanglement.html

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