南非一名博士生破解高维量子密码，揭示量子纠缠态的隐藏结构

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。”

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25447-0

标签： 量子 纠缠态