转化量子态的催化配方

　　通过本地操作和经典通信进行催化转化。资料来源:华沙大学量子光学技术中心
　　华沙大学(University of Warsaw)的量子物理学家发现了量子催化(工业中化学催化的量子当量)的新应用，揭示了量子催化剂在更多的装置中比以前知道的有用。这一突破可能在未来的量子密钥分发网络或分布式量子计算中起到关键作用。
　　波兰华沙大学量子光学技术中心的一组量子物理学家找到了一个完整的解决方案，解决了从一个初始量子态到另一个理想量子态的催化转换是否可行的难题。他们的研究结果发表在2021年10月5日的《物理评论快报》上，证明了催化剂在促进量子过程中的效用，并量化了用于量子信息处理的纠缠量。这一突破尤其适用于涉及两个或更多遥远实验室的量子技术;例如，量子密钥分发网络或分布式量子计算。
　　纠缠是量子力学的一个关键特征，事实上，大多数量子技术正在发展。在其最简单的形式中，它以相互关联的形式出现在两个遥远的当事人之间，比如爱丽丝和鲍勃。一个给定的量子系统的纠缠程度是由它的纠缠熵给出的，这提供了关于Alice和Bob之间的量子通信效率的信息。
　　在这项工作之前，纠缠熵只有在双方交换许多信号时才有意义，正如亚历山大·斯特雷佐夫(Alexander Streltsov)，与图尔贾·瓦伦·康德拉(Tulja Varun Kondra)和昌丹·达塔(Chandan Datta)一起撰写这篇论文的合著者，解释道:＂如果你只抛一次硬币，那么即使你知道硬币是公平的，你也不会知道任何关于翻转的结果——熵只是渐进地有意义，＂他说。＂与纠缠熵类似，如果爱丽丝和鲍勃只共享一个量子态的实例，熵就没有多大意义。＂
　　为了克服这一问题，国际团队在理论上引入了一种纠缠催化剂。
　　与工业中用于提高化学反应速率而不消耗自身的催化剂一样，纠缠型催化剂是一种量子系统，不会因所考虑的过程而改变，但会影响过程，使没有它们就不可能发生转变。早在1999年就提出了纠缠型催化剂诱导转变的具体例子，但以前并不知道通过添加催化剂可以实现哪些其他量子态。
　　Streltsov和合作者从理论上证明，在合适的催化剂存在的情况下，即使只有单个的纯量子态存在，纠缠熵也具有物理意义，事实上，在这种情况下，纠缠熵完全表征了转换。从这里，研究人员展示了如何预测哪些转变是可能的或不可能的。Streltsov证实:＂我们已经找到了一个解决催化转变是否可能的完整解决方案。＂
　　这一新知识有许多实际的未来应用。例如，在量子密码学中，如果Alice和Bob想要建立安全的通信，他们可以共享所谓的单线态。单线态是两个量子位(量子位)的最佳量子态。如果Alice持有其中一个量子位，Bob持有另一个量子位，那么通过执行某种协议，它们可以提取出一个完全安全的密钥。Streltsov和同事的工作提供了一种方法，可以知道哪些量子态可以转化为单线态，然后由Alice和Bob使用。
　　Streltsov和他的同事已经将他们的方法应用于比将一个量子态转化为另一个量子态更复杂的量子信息任务中，揭示了催化剂如何提高量子态合并的效率，这是一种利用纠缠和经典通信来最佳地发送信息的方式。除其他用途外，该结果可用于显示纠缠催化剂如何使噪声态在量子密码学中有用。Streltsov说:＂如果在这个国家有很多噪音，那么最终标准的量子密码协议将不会给你一个好的结果。＂但是，如果通过在每一端(比如有噪声的光纤)添加纠缠催化剂来增强该过程，则可以在不破坏过程的情况下交换量子位元。Streltsov补充说:＂即使光纤噪声很大，原则上我们也可以获得非常好的效率。＂