华沙大学
通过本地操作和经典通信的催化转化
学分:华沙大学量子光学技术中心 华沙大学的量子物理学家发现了量子催化的新应用——量子相当于工业中使用的化学催化——揭示了量子催化剂在比以前已知的更多的装置中是有用的
这一突破可能被证明是未来量子密钥分发网络或分布式量子计算的关键
波兰华沙大学量子光学技术中心的一组量子物理学家已经找到了一个完整的解决方案，解决了一个令人烦恼的问题，即从一个初始量子态到另一个期望量子态的催化转换是否可能
他们的研究结果于2021年10月5日发表在《物理评论快报》上，证明了催化剂在促进量子过程中的效用，并量化了量子信息处理可用的纠缠量
这一突破与任何涉及两个或更多远程实验室的量子技术特别相关；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，大多数正在开发的量子技术都是如此
最简单的形式是，它发生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被纠缠的程度是由其纠缠熵给出的，这提供了关于爱丽丝和鲍勃之间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，正如与图利亚·瓦伦·孔德拉(Tulja Varun Kondra)和钱德·达塔(Chandan)合著该论文的亚历山大·斯特列佐夫(Alexander Streltsov)解释的那样:“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抛硬币结果的信息——熵只有渐近意义，”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，熵就没有太大的意义
" 为了克服这一点，国际团队在理论上引入了一种纠缠催化剂
就像工业中用于提高化学反应速率而不被过程消耗的催化剂一样，纠缠催化剂是量子系统，它不会被所考虑的过程改变，但会影响过程以允许没有它们就不可能发生的转化
早在1999年就提出了诱导转化的纠缠催化剂的具体例子，但是以前不知道通过添加催化剂可以获得哪些其他量子态
Streltsov及其合作者从理论上证明，在合适的催化剂存在下，纠缠熵即使在只有单个纯量子态的情况下也具有物理意义，事实上纠缠熵完全表征了这种情况下的变换
由此，研究人员展示了如何预测哪些转变是可能的，哪些是不可能的
斯特列佐夫证实:“我们已经找到了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，在量子密码术中，如果爱丽丝和鲍勃想要建立安全通信，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
如果爱丽丝持有其中一个量子位，鲍勃持有另一个量子位，那么通过执行某种协议，他们可以提取出一个完全安全的密钥
斯特列佐夫和他的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，然后被爱丽丝和鲍勃使用
Streltsov和他的同事将他们的方法应用于比将一个量子态转换成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优化信息发送的方法
在其他用途中，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
斯特列佐夫说:“如果这个州有很多噪音，那么最终标准的量子密码协议不会给你一个好的结果。”
但是，如果通过在有噪声的光纤的每一端添加一个纠缠催化剂来增强这个过程，量子比特可以被交换而不会破坏这个过程
“即使光纤非常嘈杂，原则上我们也可以达到非常好的效率，”斯特列佐夫补充道
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