图（a）左边是两个一维图状态链（线性星团）和星形，一个在另一个上面，右边是二维图状态框和环的两个变体;圆/节点：量子比特，线：纠缠。图（b）显示了与光子纠缠的两个原子（实心圆，顶部）如何通过应用聚变门（原子周围的环）来纠缠形成一棵树。图片来源：奥利维尔·莫林
量子系统的纠缠是所有量子信息技术的基础。几个量子比特之间的复杂纠缠形式特别有趣。
然而，这不仅导致了巨大的计算能力，而且在数学上描述时，公式也出现了巨大的爆炸。例如，以“星星”、“年轮”或“树”的形式对这些复杂状态进行抽象图形表示，提供了一种优雅的简化。
位于加兴的马克斯·普朗克量子光学研究所所长格哈德·伦佩（Gerhard Rempe）的奥利维尔·莫林（Olivier Morin）团队现在首次成功地在实验中创建了环形和树形图状态。这是量子计算机或量子互联网发展的重大突破。
在未来的量子互联网中，Rempe长期以来一直作为先驱进行研究，因此光量子可以纠缠形成对损失更稳定的量子信息。该作品发表在《自然》杂志上。
纠缠的概念构成了所有正在研究和开发的量子信息技术的基础，无论是量子计算机还是量子互联网。相互纠缠的量子比特对，或简称量子比特，作为基本元素。
您可以将这样一对想象成两盏通过电缆相互连接的 LED 灯。通过将它们中越来越多的连接在一起，可以形成更长的灯链。灯代表量子比特，电缆代表它们之间的纠缠。这不仅可以创建链条，还可以创建环形、星形或树形结构。
然而，通过绘制一个看起来像圣诞装饰品的图像，在这个类比中，对于量子信息处理来说也非常有趣，现在又回到了纠缠量子比特的形式。“例如，通过纠缠量子比特的梯形配置，可以构建通用量子计算机，”Gerhard Rempe解释道。
他的研究兴趣在于量子互联网，其中量子信息被封装在纠缠光子中，作为“飞行量子比特”，通过光纤网络发送。这里最大的挑战是光子的损失，它随着传输的长度呈指数增长。
作为解毒剂，例如，将树形纠缠叠加在一个接一个地飞行的光子流上会很聪明。“你可以冗余地将量子信息写入其中，”Rempe解释说，“即使只有一半的光子到达接收器，它仍然可以重新创建这些信息。
用于复杂纠缠的优雅图形符号根据物理学家的说法，从外面看，光子流总是像一串珍珠，无论光子的图形量子态形状如何。星星、树或年轮的图形表示位于抽象的数学空间中。
多年前，数学物理学为了解决一个问题而开发了它：量子比特相互纠缠的越多，尤其是在交叉连接中，人们需要写下的量子力学公式就越巨大。
这本质上与产生量子比特计算能力的指数爆炸相同。另一方面，图形表示非常简单：节点象征着量子比特，它们之间的线是纠缠。
极难通过实验实现然而，在理论上看起来非常优雅和简单的东西，在实验中却极难实现。“2007年，我们第一次想象我们可以用我们的实验技术产生量子力学图态，”Rempe说。
这位物理学教授花了几十年的时间完善了一个过程，在这个过程中，单个原子被困在两个高反射镜之间。这些光学腔可用于解决物理学中的各种基本问题，例如光如何与物质相互作用。这样的空腔就像两面镜子一样作用在原子上，人们可以将自己置于两者之间，将自己视为反射中的反射，等等。
一旦一个原子发光，即发射一个光子，它就会“看到”数十万个被发光的原子，即自身的镜像。这迫使原子精确地在镜轴方向上发射光子。两个镜子中的一个只是轻微的渗透性，因为它在激光中，因此光子可以逃离“镜子大厅”并被探测器记录。
只有通过这个技巧，研究人员才能知道在哪里寻找微小的光子，从而可以正确定位探测器。原子本身漂浮在光场中，可以使用激光和高精度光学器件通过腔的开口端进行操纵。
物理上独立的量子比特融合到单个逻辑量子比特中2007年，一名博士生首次设法以这种方式诱导原子发射两个纠缠的光子。这是 Rempe 最初的火花。2022 年，Rempe 部门的 Olivier Morin 团队实现了 12 个链形和 14 个星形纠缠光子——创下了世界纪录。
然而，从数学上讲，这些只是一维的图形状态，包括“恒星”。为了达到年轮或树木，需要第二个维度，即图状态抽象空间中的“区域”。
该团队在光学腔中捕获了两个铷-87原子，并用两个原子制备了一个一维图态，其中原子与许多光子纠缠在一起。通过对两个原子的联合测量，两个物理上独立的原子量子比特被“融合”成一个“逻辑”量子比特。然后生成一个二维图形状态。
例如，通过这种方式，可以将简单的光子链融合成树形图态，从而生成适合复杂应用的复杂纠缠模式。
“影响是巨大的，”Rempe在经历了近十年的科学马拉松之后谈到这一突破时说。“目前，围绕这个主题正在形成一个全新的研究社区。
更多信息：菲利普·托马斯（Philip Thomas）等人，确定性生成的光子图态的融合，《自然》（2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07357-5
期刊信息： Nature
