量子系統的糾纏是所有量子資訊技術的基礎。 幾個量子位元之間複雜形式的糾纏特別有趣。
然而，這不僅會導致巨大的計算能力，而且在以數學方式描述公式時也會導致公式的爆炸性增長。 例如，這些複雜狀態的抽象圖形表示以「星星」、「環」或「樹」的形式提供了優雅的簡化。
加興馬克斯·普朗克量子光學研究所所長格哈德·倫佩(Gerhard Rempe) 系主任奧利維爾·莫林(Olivier Morin) 的團隊現在首次在實驗中成功創建了環形和樹形圖狀態。 這是量子電腦或量子網路發展的重大突破。
在倫佩作為先驅長期以來一直在研究的未來量子互聯網中，光量子可以因此糾纏在一起，形成更穩定的量子訊息，以防止丟失。 工作是發表在自然。
糾纏的概念構成了所有正在研究和開發的量子資訊技術的基礎，無論是量子電腦還是量子網路。 相互糾纏的成對量子位元（或簡稱量子位元）作為基本元素。
您可以將這樣的一對想像為透過電纜相互連接的兩個 LED 燈。 透過將越來越多的燈連接在一起，可以形成更長的光鏈。 燈代表量子位，電纜代表它們之間的糾纏。 這不僅可以創建鏈，還可以創建環、星形或樹形結構。
然而，透過在這個類比中繪製看起來像聖誕裝飾品的圖像，對於量子資訊處理也非常有趣，現在又以糾纏量子位元的形式回歸。 「例如，透過糾纏量子位元的梯形配置，可以建構通用量子計算機，」格哈德·倫佩（Gerhard Rempe）解釋。
他的研究興趣在於量子互聯網，其中量子資訊被封裝在糾纏光子中作為“飛行量子位元”，透過光纖網路發送。 這裡最大的挑戰是光子的損失，它隨著傳輸長度的增加而呈指數增長。
作為一種解藥，例如，將樹形糾纏疊加在相繼飛行的光子流上是很聰明的。 倫佩解釋說：“你可以將量子資訊冗餘地寫入其中，即使只有一半的光子到達接收器，它仍然可以重新創建這些資訊。”
複雜糾纏的優雅圖形表示法
根據物理學家的說法，從外部看，光子流總是像一串珍珠，無論光子圖形量子態的形狀如何。 星形、樹形或環形的圖形表示位於抽象的數學空間。
數學物理學多年前為了解決一個問題而開發了它：相互糾纏的量子位元越多，尤其是交叉連接，人們需要寫下的量子力學公式就越龐大。
這本質上與產生量子位元運算能力的指數爆炸相同。 另一方面，圖形表示非常簡單：節點象徵量子位元，節點之間的線代表糾纏。
實驗上極難實現
理論上看起來非常優雅和簡單的東西在實驗中實現起來卻極其困難。 「2007 年，我們第一次設想可以使用我們的實驗技術產生量子力學圖態，」Rempe 說。
這位物理學教授花了幾十年的時間來完善一個過程被困在兩個高反射鏡之間。 這些可用於解決物理學中的各種基本問題，例如光如何與物質相互作用。 這樣的空腔對原子的作用就像兩面鏡子，人們可以將自己置於其間，無數次地將自己視為反射中的反射，等等。
一旦原子發光，即發射光子，它就會「看到」數十萬個被照亮的原子，它們是其自身的鏡像。 這迫使原子精確地沿著鏡軸方向發射光子。 兩個鏡子中的一個具有輕微的滲透性，就像在雷射中一樣，因此光子可以逃離“鏡廳”並被探測器記錄。
只有透過這個技巧，研究人員才能知道在哪裡尋找微小光子，從而正確定位探測器。 原子本身漂浮在光場中，可以使用雷射和高精度光學元件透過腔體的開口端進行操縱。
物理上分離的量子位元被融合成單一邏輯量子位
2007年，一名博士生首次成功地以這種方式誘導原子發射兩個糾纏的光子。 這是 Rempe 最初的火花。 2022 年，Rempe 部門的 Olivier Morin 團隊實現了——世界紀錄。
然而，從數學上來說，這些只是一維圖狀態，包括「星」。 為了得到環或樹，需要第二個維度，即圖狀態抽象空間中的「區域」。
研究小組在光腔中捕獲了兩個銣87原子，並用這兩個原子製備了一個一維圖態，其中原子與許多光子糾纏在一起。 透過對兩個原子的聯合測量，兩個物理上獨立的原子量子位元被“融合”成一個“邏輯”。 然後產生一個二維圖狀態。
透過這種方式，例如，可以將簡單的光子鏈融合成樹形圖狀態，從而產生適合複雜應用的複雜糾纏圖案。
在經歷了近十年的科學馬拉松之後，倫佩談到這一突破時說：“其影響是巨大的。” “目前正在圍繞這個主題形成一個全新的研究社區。”
