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近日，谷歌量子人工智能和斯坦福大學(xué)的研究人員在多達(dá) 70 個(gè)量子比特的系統(tǒng)中，利用測量來產(chǎn)生量子糾纏和隱形傳態(tài)，這是迄今為止探索測量誘發(fā)效應(yīng)的最大系統(tǒng)。

相關(guān)研究以“Measurement-induced entanglement and teleportation on a noisy quantum processor”為題發(fā)表于《Nature》[1]。

測量，神奇的存在

量子力學(xué)充滿了奇怪的現(xiàn)象，但也許沒有一個(gè)比測量在理論中扮演的角色更奇怪的了。由于測量往往會(huì)破壞系統(tǒng)的“量子態(tài)”，因此它似乎是量子世界和經(jīng)典世界之間的神秘聯(lián)系。

與物質(zhì)的固相、液相和氣相類似，量子信息的組織也可以呈現(xiàn)不同的相。然而，與我們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ奈镔|(zhì)相不同，量子信息的相更難表述和觀察，因此直到最近還只是一個(gè)理論上的夢想。

測量可以說是量子力學(xué)中最奇怪的方面。直覺告訴我們，狀態(tài)具有某些確定的屬性，并且測量揭示了該屬性。然而，量子力學(xué)中的測量產(chǎn)生本質(zhì)上隨機(jī)的結(jié)果，并且測量行為不可逆地改變狀態(tài)本身，換句話說，在量子系統(tǒng)中，當(dāng)量子比特彼此相互作用時(shí)，它們的信息會(huì)以“糾纏態(tài)”非局域共享。但如果你測量這個(gè)系統(tǒng)，糾纏就會(huì)被破壞。

糾纏態(tài)的坍塌還可能導(dǎo)致諸如“隱形傳送”之類的怪異現(xiàn)象，從而不可挽回地改變支配我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)的“時(shí)間之箭”（時(shí)間朝一個(gè)方向前進(jìn)的概念）。

換句話說，測量可用于從根本上重組空間和時(shí)間中的量子信息結(jié)構(gòu)。

據(jù)《Nature》雜志報(bào)道，谷歌量子人工智能和斯坦福大學(xué)的研究人員合作，在多達(dá) 70 個(gè)量子比特的谷歌量子系統(tǒng)上的測量中觀察到了這測量與糾纏兩種狀態(tài)之間的交叉，即“測量引起的相變”。

這是迄今為止最大的新型測量誘導(dǎo)量子信息相的實(shí)驗(yàn)演示，這一壯舉曾被認(rèn)為超出了實(shí)驗(yàn)所能實(shí)現(xiàn)的范圍。

圖｜谷歌量子人工智能和斯坦福大學(xué)的研究人員探索了測量如何從根本上改變時(shí)空量子信息的結(jié)構(gòu)。（來源：Google Quantum AI）

該研究由物理學(xué)研究生、斯坦福大學(xué)量子科學(xué)與工程計(jì)劃（Q-FARM）研究員Jesse Hoke、物理學(xué)系前博士后Matteo Ippoliti和資深作者、斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院物理學(xué)副教授Vedika Khemani共同領(lǐng)導(dǎo)。

這里，Hoke、Ippoliti 和 Khemani 討論了他們是如何觀測到量子信息的測量誘導(dǎo)相位的，除此之外，還討論了他們的新見解是如何幫助為量子科學(xué)和工程學(xué)的進(jìn)步鋪平道路的。

問題：這項(xiàng)研究中研究的各個(gè)階段有何區(qū)別？什么是隱形傳態(tài)？

Ippoliti：在最簡單的情況下，有兩個(gè)階段。在一個(gè)階段，系統(tǒng)中的量子信息結(jié)構(gòu)形成一個(gè)緊密連接的網(wǎng)絡(luò)，其中量子比特共享大量糾纏，即使在較大的空間距離或時(shí)間間隔下也是如此。另一方面，系統(tǒng)是弱連接的，因此糾纏等相關(guān)性會(huì)隨著距離或時(shí)間的推移而迅速衰減。這是我們在實(shí)驗(yàn)中探討的兩個(gè)階段。強(qiáng)糾纏相使得隱形傳態(tài)成為可能，當(dāng)一個(gè)量子比特的狀態(tài)通過測量除這兩個(gè)量子比特之外的所有量子比特而立即傳輸或“隱形傳”到另一個(gè)遙遠(yuǎn)的量子比特時(shí)，就會(huì)發(fā)生隱形傳態(tài)。

圖｜物理學(xué)系前博士后Matteo Ippoliti

問題：您如何控制相變發(fā)生的時(shí)間？

Khemani：起作用的競爭力量是量子比特之間的相互作用，這往往會(huì)產(chǎn)生糾纏，而量子比特的測量則可能會(huì)破壞糾纏。這就是量子力學(xué)著名的“波函數(shù)坍縮”——想象一下當(dāng)我們打開盒子時(shí)，薛定諤的貓“坍縮”成兩種狀態(tài)之一（死或活）。然而，由于糾纏，崩潰不僅限于我們直接測量的量子比特，還會(huì)影響系統(tǒng)的其余部分。通過控制量子計(jì)算機(jī)上測量的強(qiáng)度或頻率，我們可以引發(fā)糾纏相和解糾纏相之間的相變。

圖｜斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院物理學(xué)副教授Vedika Khemani

問題：您的團(tuán)隊(duì)在測量量子態(tài)時(shí)需要克服哪些挑戰(zhàn)，您是如何做到的？

Ippoliti：量子力學(xué)的測量本質(zhì)上是隨機(jī)的，這使得觀察這些相變得非常具有挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)槲覀儗?shí)驗(yàn)的每次重復(fù)都會(huì)產(chǎn)生不同的、看起來隨機(jī)的量子態(tài)。這是一個(gè)問題，因?yàn)闄z測糾纏（將我們的兩個(gè)相分開的特征）需要對(duì)同一狀態(tài)的許多副本進(jìn)行觀察。為了解決這個(gè)困難，我們開發(fā)了一種診斷方法，將量子處理器的數(shù)據(jù)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬結(jié)果進(jìn)行交叉關(guān)聯(lián)。這種混合量子經(jīng)典診斷使我們能夠看到多達(dá) 70 個(gè)量子比特的不同階段的證據(jù)，使其成為迄今為止最大的數(shù)字量子模擬和實(shí)驗(yàn)之一。

Hoke：另一個(gè)挑戰(zhàn)是量子實(shí)驗(yàn)?zāi)壳笆艿江h(huán)境噪音的限制。糾纏是一種脆弱的資源，很容易被外部環(huán)境的相互作用破壞，這是量子計(jì)算的主要挑戰(zhàn)。在我們的設(shè)置中，我們探測系統(tǒng)量子比特之間的糾纏結(jié)構(gòu)，如果系統(tǒng)沒有完全隔離而是與周圍環(huán)境糾纏在一起，該結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞。我們通過設(shè)計(jì)一種使用噪聲作為特征而不是缺陷的診斷來解決這一挑戰(zhàn)——兩個(gè)相（弱糾纏和強(qiáng)糾纏）以不同的方式響應(yīng)噪聲，我們用它作為相的探針。

Khemani：此外，我們還利用了“時(shí)間之箭”隨著測量引起的隱形傳態(tài)而失去意義的事實(shí)。這使我們能夠以有利的方式重新組織量子計(jì)算機(jī)上的操作順序，以減輕噪聲的影響，并設(shè)計(jì)出時(shí)空量子信息組織的新探針。

問題：研究結(jié)果意味著什么？

Khemani：在基礎(chǔ)科學(xué)層面，我們的實(shí)驗(yàn)展示了新現(xiàn)象，擴(kuò)展了我們熟悉的“相結(jié)構(gòu)”概念。我們現(xiàn)在不再將測量僅僅視為探針，而是將它們視為量子動(dòng)力學(xué)的內(nèi)在部分，它可用于創(chuàng)建和操縱新穎的量子相關(guān)性。在應(yīng)用層面，使用測量來穩(wěn)健地生成結(jié)構(gòu)化糾纏正在激發(fā)新的方法，使量子計(jì)算對(duì)噪聲具有更強(qiáng)的魯棒性。具體來說，我們對(duì)量子信息和動(dòng)力學(xué)的一般階段的理解仍處于初級(jí)階段，還有許多令人興奮的驚喜等待著我們。

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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