Only Perception: 物理學家示範量子位元與量子三元的糾結

2008-03-01

物理學家示範量子位元與量子三元的糾結

Physicists Demonstrate Qubit-Qutrit Entanglement
http://www.physorg.com/news123244300.html

February 26, 2008
By Lisa Zyga

這是頭一遭物理學家能使一個量子位元（qubit）與一個「量子三元（qutrit -- 2D qubit 的 3D 版本）」糾結在一起。量子位元--量子三元的糾結有利於量子運算，例如增加安全性以及更有效率的量子閘，還有能以新穎的方式測試量子力學。

這個研究團隊，由（澳洲）昆士蘭大學、（英國）Bristol 大學與（加拿大）Waterloo 大學的物理學家所組成，將其結果發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。研究者以雙光子（biphotons，二個相互關聯的光子）製成量子三元，產生了「雙光子量子三元」。接著，他們透過「線性光學元素」與「測量方法」的結合，使些量子三元與光子量子位元（由一個光子構成）糾結。

一個量子三元，一如其名，是量子資訊的古典成三（classical trit）類比。因為其量子力學的天性，一個量子三元能夠同時存有其三種基本狀態的疊加。這與一個量子位元能具有二種狀態的疊加一樣。因為量子三元的 3D 本質，故它能比量子位元攜帶更多資訊。（n 個古典位元，只有 1ⁿ 種狀態，n 個量子位元則有 2ⁿ 種狀態， n 個量子三元則有 3ⁿ 種狀態。）

許多研究者已在研究使一個量子位元與量子三元產生糾結態的可能性，希望能開發出一種有用的工具來改善量子運算，並探索新奇的量子現象。作者們的結果現在讓這些理論性的提議在實驗上都能夠測試。

"對我來說，我們論文的重要之處在於「將系統與一個量子位元糾結在一起」，如何能成為「操縱此系統」的一種美妙方法。" 共同作者，昆士蘭大學的 Benjamin Lanyon 表示。"在我們的例子中，我們利用這種技術大幅擴展量子三元 -- 這些更高維度的量子資訊載體 -- 的可能變換範圍，這提供了很多有利條件，但用其他方法很難處理。"

在他們的研究中，研究者證明量子位元--量子三元的糾結能成為操縱難以駕馭之量子三元的有用資源。科學家們打造一種非線性的量子三元偏極器（polarizer），那涉及糾結態的創造與量子位元的毀滅性測量。結果是從量子三元的疊加態中，暫時性地移除單一一種量子三元的狀態。

Lanyon 解釋，這是一個由測量所引發的非線性化（measurement-induced nonlinearity，MINL）的例子，已知那能成為一種操縱量子位元的、相當強大的工具，並能實現光學上的量子電腦。

"測量只用線性元素（例如分光器、移相器與鏡子）所打造之光學迴路的輸出，卻能造成輸入光場的非線性演化，換言之，對於所有意圖與建議來說，光子似乎產生了交互作用，" Lanyon 說。"這令人驚訝，因為光子本質上不會在這些系統中相互影響，而這種效應被成為測量所引發的非線性化。在我們的研究脈絡中，MINL 所引起的非線性演化，需要產生糾結態，並且從量子三元的疊加態中移除單一一種邏輯態。"

他也給了一段視覺化的描繪：

"考慮那有許多不同的路徑，光子可用以通過光學迴路，" 他說。"如同在電子的雙狹縫實驗中一樣，光子能夠同時採取所有路徑，且在輸出時，我們結果獲得一種大規模的疊加態。現在讓我們對所有（或部份的）輸出狀態進行測量。有某些結果意謂著某些路徑並沒有被採用 -- 也因此在獲得某種測量結果的前提下，我們能以這種方式排除路徑。非常伶俐的測量能留給你一條路徑歷史，那導致糾結態產生。"

研究者也對其研究提出了一些擴充。例如，一對糾結的量子位元--量子三元態能用以創造量子三元--量子三元糾結，而這首先得要使二個量子位元糾結。目前在開發的高亮度單光子源，將能協助進行這類未來的實驗。研究者也提出，把 MINLs 當成一種操縱技術，並不只限於光子，而是能應用到任何種類的玻色子量子資訊載體。

科學家預言，更高維度的量子糾結將具有最佳化量子資訊系統安全的應用，而且能夠增加量子通訊的頻道容量與其他用途。

※ 相關報導：

＊ Manipulating Biphotonic Qutrits
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e060504

B. P. Lanyon, T. J. Weinhold, N. K. Langford, J. L. O'Brien,
K. J. Resch, A. Gilchrist, and A. G. White
Phys. Rev. Lett. 100, 060504 (2008)
doi:10.1103/PhysRevLett.100.060504

＊最新的超級電腦運算支持六夸克理論
Latest Supercomputer Calculations Support the Six-Quark Theory
http://www.physorg.com/news121963192.html

This is the first complete calculation of this phenomenon to employ a highly accurate description of the quarks that adds a fifth dimension beyond those of space and time.

The result suggests that the six-quark theory correctly describes the matter-anti-matter asymmetry（CP-symmetry violation）seen in the decays of both the bottom and strange mesons. If the strange and bottom experiments are combined with the less demanding theory for the bottom meson system, the oscillation amplitude for the strange mesons (a quantity call BK) can be determined to be 0.78 with an error of 0.09. The result of this new calculation gives an entirely consistent value of 0.72 for this same quantity with an error of 0.04. (詳見原文)

＊ Neutral-Kaon Mixing from (2+1)-Flavor Domain-Wall QCD
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e032001

D. J. Antonio, P. A. Boyle, T. Blum, N. H. Christ,
S. D. Cohen, C. Dawson, T. Izubuchi, R. D. Kenway,
C. Jung, S. Li, M. F. Lin, R. D. Mawhinney, J. Noaki,
S. Ohta, B. J. Pendleton, E. E. Scholz, A. Soni,
R. J. Tweedie, and A. Yamaguchi
Phys. Rev. Lett. 100, 032001 (2008)
doi:10.1103/PhysRevLett.100.032001