Квантовая запутанность — это процесс, в результате которого две частицы запутываются и остаются связанными с течением времени, даже если их разделяют большие расстояния. Обнаружение этого явления имеет решающее значение как для развития квантовых технологий, так и для изучения квантовой физики многих тел.

Исследователи из Цинхуа недавно провели исследование возможных причин, по которым надежное и эффективное обнаружение запутанности в сложных и «шумных» системах часто оказывается очень сложной задачей. Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters , намекают на существование компромисса между эффективностью и действенностью методов обнаружения запутывания.

«Более 20 лет назад исследователи обнаружили , что большинство квантовых состояний запутаны», — сказал Phys.org Сюнфэн Ма, один из исследователей, проводивших исследование.

«Это означает, что, например, если нам удалось построить 100-кубитную систему, скажем, сверхпроводниковую или ионно-ловушечную квантовую вычислительную систему, эта система будет развиваться какое-то время, в течение которого кубиты экстенсивно взаимодействуют друг с другом. конечно, будут ошибки, поэтому для поддержания хорошего когерентного управления мы разумно изолируем систему от окружающей среды.Пока чистота (количественная оценка эффективности наших усилий по изоляции) не экспоненциально мала с количеством кубитов, система велика вероятность запутаться».

Хотя теоретически запутанность может показаться довольно простой для реализации, добиться ее в экспериментальных условиях на самом деле очень сложно. Исследования показали, что это особенно сложно в больших квантовых системах, таких как системы, состоящие из 18 кубитов . Основная цель недавней работы Ма и его коллег заключалась в том, чтобы лучше понять проблемы, связанные с обнаружением запутанности в больших системах.

«Исследователи постепенно поняли, что, хотя подготовка запутанного состояния для большой системы может быть легкой, обнаружение запутанности на практике может быть очень сложным», — объяснил Ма. «В нашей работе мы устанавливаем математическую формулировку для количественной оценки эффективности метода обнаружения запутывания. Мы используем правильное распределение квантовых состояний, используем соотношение обнаруживаемых запутанных состояний для количественной оценки его эффективности, а также количественно оцениваем эффективность метода обнаружения запутывания. по количеству наблюдаемых, необходимых для этого метода».

Ма и его коллеги сначала изучили, возможно, самый простой протокол обнаружения запутывания, доступный сегодня, известный как свидетели запутывания. Они показали, что способность этого протокола обнаруживать запутанность уменьшается на двойную экспоненциальную величину по мере увеличения размера системы.

Позже исследователи обнаружили, что это снижение эффективности, связанное с размером системы, также повлияло на другие протоколы обнаружения запутанности. После ряда теоретических соображений они смогли распространить свои наблюдения за эффективностью метода свидетелей запутанности на произвольные протоколы запутывания, основанные на однократных измерениях квантового состояния.

«Для случайного состояния в сочетании с окружающей средой любой протокол обнаружения запутывания с реализацией одной копии либо неэффективен, либо неэффективен», — сказал Ма. «Неэффективность означает, что протокол основан на измерении экспоненциального числа наблюдаемых, а неэффективность означает, что вероятность успешного запутывания вдвое экспоненциально низка».

По сути, Ма и его коллеги показали, что для крупномасштабного наблюдения за запутанностью исследователи должны иметь возможность контролировать все взаимодействия в системе с высокой точностью и знать почти всю информацию о них. Следовательно, когда в системе много неопределенности, вероятность обнаружения ее запутанности очень мала, даже если вы почти уверены в ее возникновении.

«Мы доказали, что никакие протоколы обнаружения запутывания не являются одновременно эффективными и действенными», — пояснил Ма. «Это может помочь в разработке протоколов обнаружения запутанности в будущем. Между тем, обнаружение крупномасштабной запутанности может быть хорошим индикатором для сравнения различных систем квантовых вычислений. Например, когда команда лаборатории заявляет, что они построили систему из сотен кубитов. , они должны обнаружить запутанность. В противном случае они недостаточно хорошо контролируют систему».

В целом, результаты, полученные этой группой исследователей, подчеркивают существование компромисса между эффективностью и действенностью существующих методов обнаружения запутанности. Кроме того, они дают ценную информацию о том, почему так сложно обнаружить запутанность в крупномасштабных и зашумленных квантовых системах.

«Наш результат не мешает нам разработать протокол, который будет эффективным и действенным, когда система хорошо контролируется (т. е. связанная среда относительно мала)», — добавил Ма. «В настоящее время у нас есть только протоколы обнаружения запутывания, которые хорошо работают для чистых состояний, таких как свидетели запутывания, и протоколы, которые работают в больших средах за счет экспоненциальной стоимости. Мы заметили, что протокол обнаружения запутывания, который работает в средах среднего размера с относительно низкая стоимость по-прежнему отсутствует, и теперь мы хотели бы попытаться разработать ее».