南非一名博士生破解高维量子密码 为量子计算通信提供了新的工具

南非量子光学领域一名学生Isaac Nape崭露头角,他是金山物理学家团队的一员,其团队领导了一项揭示量子纠缠态隐藏结构的国际研究。这项研究发表在科学杂志《自然通讯》上。

Nape正在金山大学攻读博士学位,研究方向是利用光的结构模式进行高维信息编码和解码,用于量子通信。

今年早些时候,Nape在南非物理研究所(SAIP)的会议上获得了两个奖项;今年5月,他还获得了国际光学与光子学学会(SPIE)颁发的2021年光学与光子学教育奖学金,以表彰他在光学、光子学或相关领域的潜在贡献。

现在,Nape和金山大学的同事,以及来自苏格兰和中国台湾的合作者,为量子计算和通信提供了一种新的、快速的工具。“在许多维度中纠缠的量子态是我们新兴量子技术的关键,更多维度意味着更高的量子带宽(更快)和更好的抗噪声(安全),这对快速和安全的通信和加速无错误的量子计算至关重要。

“我们在这里所做的是发明一种新的方法来探测这些‘高维’量子态,将测量时间从几十年减少到几分钟。” Nape解释道。

在题为《测量高维纠缠态的维数和纯度》(Measuring dimensionality and purity of high-dimensional entangled states)的论文中,该团队概述了一种新的量子测量方法,在100维量子纠缠态上进行测试。

在传统的方法中,测量时间随着维度的增加而增加,因此要通过完整的“量子态断层扫描”来解开100维度的状态将需要几十年的时间。但是,这个团队展示了量子系统的庞大信息——有多少维度是纠缠的,达到了什么纯度?——可以在几分钟内推断出来。新方法只需要简单的“预测”,在大多数实验室用传统工具都可以轻松完成。以光为例,该团队使用全数字方法进行测量。

Nape解释说,问题在于,虽然高维状态很容易产生,特别是纠缠在一起的光粒子(光子),但它们不容易测量——我们用来测量和控制它们的工具箱几乎是空的。

你可以把高维量子态想象成骰子的面。传统的骰子有6个面,从1到6,这是一个六维字母,可以用于计算,或在通信中传递信息。制作一个“高维骰子”意味着骰子有更多的面:100个维度等于100个面——一个极其复杂的多边形。

“在我们的日常生活中,通过数面来了解我们可以利用的资源很容易,但在量子世界中就不是这样了。在量子世界里,你不可能看到整个骰子,所以数面是非常困难的。我们解决这个问题的方法是做断层扫描,就像医学界所做的那样,从物体的很多很多切片来构建图像。” Nape解释道。

但量子物体中的信息可能是巨大的,所以这个过程的时间是令人望而却步的。一个更快的方法是“贝尔测量”,这是一个著名的测试,用来判断你面前的东西是否被纠缠,比如问它“你是不是量子?”虽然这证实了骰子的量子相关性,但它并没有说明骰子有多少面。

“我们的工作通过一个偶然的发现解决了这个问题,即有一组测量不是断层扫描,也不是贝尔测量,但它包含了这两种测量的重要信息。” Nape说。“用专业术术语来说,我们混合了这两种测量方法,做了多个投影,看起来像断层扫描,但测量结果的可见性,就像贝尔测量一样。这揭示了隐藏的信息,可以从多个维度的量子关联强度中提取出来。”