重磅丨中国科学家实现量子纠缠高效提纯，为高速量子通信奠定基础

　　量子通信虽然可以为信息安全提供保障，但是量子通信在传输时会受噪声影响而退化从而严重影响通信质量。那么问题来了，量子信息能否像传统信息一样避免错误，将被噪声＂污染＂的量子纠缠进行高效率＂提纯＂吗？据《光明日报》1月7日消息，中国科学技术大学郭光灿院士团队和南京邮电大学盛宇波教授团队合作，近日在实验室首次实现了确定的纠错纯化，理论上效率提高10亿倍，其意义重大，为未来中国高效率量子中继奠定了基础。
　　量子纠缠是个老大难问题
　　几百年以来，人类学会了将信息转化为越来越持久和有用的形式，从最初的石板到后来的纸张再到数字媒体。从20世纪80年代开始，科学家就开始对如何在量子计算机中存储信息进行理论研究，在量子计算机中，信息会受到各种原子级错误的影响（噪声的影响）。
　　根据百度百科，所谓量子纠缠是指，量子力学里几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，我们称这种现象为量子纠缠，这是量子力学特有现象，在经典力学里则不存在类似现象。
　　事实上，我们永远无法完美地保护信息免受所有错误的影响。我们知道，我们可以用数学方法将经典信息，如一个字或一个数，表示为一系列二进制数字或位，1和0。但当我们以电路的形式实际构建这些二进制数字或位时，我们发现电路相互作用（通常简称为噪声）——会导致随机位翻转到错误的值。在20世纪四五十年代，克劳德·香农和理查德·哈明首次提出了解决方案，在计算开始之前发现了检测和纠正错误的方法，就是向序列中添加了新位，该序列的作用类似于收据，指定了一些初始位的总和。这些纠错方法现在称为纠错码，或仅称为纠错码。
　　但对于量子计算机来说，创建一个代码被证明更加困难。量子计算机不使用比特，而是同时使用部分为0和部分为1的量子比特。它们容易受到两种错误的影响，要么将它们压缩为单个值（0或1），要么使它们之间失去平衡。每种错误也会相互影响，这使得量子比特的纠错更加复杂。
　　到了20世纪90年代，虽然科学家们找到了一些方法来应对错误，但这些方法完全没法与传统计算机相比，实际上传统计算机提供了令人难以置信的可靠性和很高的效率。国外的一些研究进展
　　由于解决量子纠缠是一个老大难的问题，其纠错或者说纯化理论吸引了为数众多的国际顶尖科学家的关注。量子计算机只能使用大约100个量子比特，这是经典比特的量子等价物，实际上要能真正发挥作用，我们还需要成千上万个量子比特，同时还要有方法保证随着量子比特数的增加而保持稳定，即不会发生偏差或错误，这将有助于未来量子计算机的规模和复杂性保持在合理位置。
　　2021年11月5日，俄罗斯莫斯科国立大学的科学家帕维尔·潘捷列夫（Pavel Pantelev）和格莱布·卡拉切夫（Gleb Kalachev）证明了从理论上来说量子信息可以像经典信息一样受到保护，不受错误的影响。他们将两种极为相容的经典方法结合起来，并采用了新技术。对此德国伍珀塔尔大学的科学家Jens Eberhardt认为，这是量子纠缠领域的一个巨大成就。而就在同一时期，另一组科学家在经典方法中发现了同样的能力。对此，以色列魏茨曼科学研究所的亚历克斯·卢博茨基（Alex Lubotzky）说：＂令人惊讶的是，一个开放了30年的问题竟然由两个不同的小组同时解决了。＂
　　不过，为了提高量子信息的保真度，需要重复纯化大量低保真度的量子纠缠，导致纯化效率低，速度慢。中国科学家脱颖而出
　　前期，中国科学家盛宇波和北京师范大学邓富国教授基于不同种类的量子纠缠（极化、空间、时间和频率纠缠）其抵抗噪声＂污染＂的能力也不同，提出了确定的纠缠纯化理论，首先构造＂空间—极化＂两个自由度的超纠缠，用不易受噪声干扰的空间纠缠，来＂提纯＂极化纠缠。
　　如今，中国科学技术大学郭光灿院士团队和南京邮电大学盛宇波教授团队，根据上述理论，首先在实验室制备了＂空间—极化＂超纠缠，然后科学家们在极化纠缠上加入噪声，再进行经纯化操作，最后极化纠缠的保真度从0.268一下就提高到了0.989，接近4倍。
　　研究人员表示，采用这种新的方法只需要一对超纠缠，就可以实现纯化，纯化效率可提高10亿倍。这对提高量子中继速度十分有利，能够为未来的长距离量子通信提供技术支撑，可谓意义重大。#科技头条# #科技快讯# #我来科普#
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