終於證明：量子通信中「貝爾不等式」的確定性違反！

有效地生成遠程量子節點之間的糾纏是保證量子通信安全的關鍵一步。在過去的研究中，糾纏常常使用許多不同的概率方案來實現。最近，一些研究也利用基於超導量子位元的方法，提供了確定性遠端糾纏的證明。儘管如此，在超導量子通信體系結構中對貝爾不等式(一種強量子相關性度量)的確定性違反，迄今尚未得到證實。芝加哥大學一個研究小組用遠程連接的超導量子位證明了貝爾不等式的違反。

其研究成果發表在《自然物理》(Nature Physics)上，介紹了一種在超導系統中實現這一基準測試結果的簡單而穩定的體系結構。開展這項研究的研究人員之一安德魯·克萊蘭(Andrew Cleland)說：在開發量子力學可以用於信息處理(如通信、計算等)和感測的實驗系統方面，有很多興趣和活動。量子信息系統的核心是量子位，它的獨特性來自於可以存儲在其中的量子態，以及可以使用多個量子位存儲的更複雜的量子態。我們感興趣的是探索量子信息和量子狀態的傳輸——量子通信的基礎。

量子態，以及其中存儲的信息，都是非常微妙，遠比經典態和經典存儲的信息要微妙得多。雖然理論上有辦法修正量子態的誤差，但一般只能修正很小的誤差；因此，量子態通信需要非常高的精度。迄今為止，量子態的高保真傳輸是通過有限的幾種方法實現。研究人員想看看是否能利用現有一些最好的量子位元，超導量子位元，以及將超導量子位元與通訊(傳輸)線路耦合的最好工具，來證明我們能以非常高的精度(即保真度)傳輸量子態。

在量子物理學中，檢驗某一類量子態的「黃金標準」是貝爾不等式。從本質上講，只有在量子態準備好、通信好和測量精度高的情況下，量子態特性的一組特定測量值(通常寫為「S」)才可能超過經典的限制值2。在準備、傳輸或測量量子態時所犯的錯誤，往往會使量子態變得更經典，而且很難超過經典的極限。超過這個極限被稱為違反貝爾不等式，是『量子性』的證明。這就是我們要實現的測量，通過非常精確地在兩個量子位元之間產生、傳輸和捕獲量子信息來測量量子態的S。

幸運的是，科學家們做到了！在實驗中，克萊蘭和同事使用了兩個超導量子位元，它們通過一條大約1米長的傳輸線相互連接。量子信息是通過微波(類似於無線電信號)沿著這條線傳輸，其頻率與手機通訊的頻率相似。克萊蘭說：非常重要的是，我們還在每一個量子位元和線路之間安裝了電控『耦合器』。這些耦合器非常重要，因為它們允許我們利用經典電信號，非常快速地控制量子位元與線路的耦合。

這些電控耦合器是研究人員實驗的一個關鍵組成部分，因為它們使耦合器能夠非常精確地及時「成形」耦合器。這些耦合器確保了攜帶量子信息的微波以正確的方式在兩個量子位元之間傳輸。這最終確保量子信息的發送和接收誤差最小。實驗表明，非常精確的量子信息可以沿著相當長的通信路徑發送，在實驗中，這條路徑的長度接近一米。我們使用的方法適用於任何長度的線。這證明了為這種幾乎沒有錯誤的傳輸所制定的理論方法是正確的，並且對未來的量子通信系統有很大希望。

克萊蘭和同事進行的這項研究介紹了一種簡單而有效的方法，利用遠程超導量子位元來實現對貝爾不等式的違反。然而，由於他們實驗中使用的量子位元與微波通訊，該方法只能在非常低的溫度下工作。為了通過空氣傳遞量子信息，研究人員需要開發新的技術，利用紅外線或可見光也能獲得類似的結果。研究人員現在正計劃做這個實驗的更複雜版本，使用更多的量子位元和更多傳輸線，來測試更先進的量子通訊和量子糾錯理論。也在開發方法，試圖用紅外線做同樣的事情，這樣信號就可以通過光纖或太空發送。

博科園-科學科普｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

參考期刊文獻:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0507-7

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