研究人员利用测量来产生量子纠缠和隐形传态

量子力学充满了奇怪的现象，但也许没有一个比测量在理论中扮演的角色更奇怪的了。由于测量往往会破坏系统的“量子性”，因此它似乎是量子世界和经典世界之间的神秘联系。在被称为“量子位”的大型量子信息系统中，测量的效果可以引发显着的新行为，甚至推动量子信息全新阶段的出现。

当两种相互竞争的效应达到顶峰时就会发生这种情况：相互作用和测量。在量子系统中，当量子位彼此相互作用时，它们的信息会以“纠缠态”非局域共享。但如果你测量这个系统，纠缠就会被破坏。测量和相互作用之间的斗争导致了两个不同的阶段：一个阶段是相互作用占主导地位，纠缠广泛存在，另一个阶段是测量占主导地位，纠缠受到抑制。

据《自然》杂志报道，谷歌量子人工智能和斯坦福大学的研究人员在多达70个量子位的系统中观察到了这两种状态之间的交叉，即“测量引起的相变”。这是迄今为止探索测量诱发效应的最大系统。

研究人员还看到了一种新形式的“量子隐形传态”的特征，其中未知的量子态从一组量子位转移到另一组量子位，这是这些测量的结果。这些研究可能有助于激发对量子计算有用的新技术。

人们可以将量子比特系统中的纠缠想象为一个复杂的连接网络。当我们测量纠缠系统时，它对网络的影响取决于测量的强度。它可以完全摧毁网络，也可以剪断和修剪选定的网络，但保持其他网络完好无损。

在实验中真正看到这种纠缠的网络是出了名的具有挑战性。网络本身是不可见的，因此研究人员只能通过查看量子位测量结果之间的统计相关性来推断其存在。需要多次运行相同的实验来推断网络的模式。这一挑战和其他挑战一直困扰着过去的实验，并将测量引起的相变的研究限制在非常小的系统尺寸内。

为了应对这些挑战，研究人员使用了一些实验技巧。首先，他们重新安排了操作顺序，以便所有测量都可以在实验结束时进行，而不是在整个过程中交错进行，从而降低了实验的复杂性。其次，他们开发了一种用单个“探针”量子位来测量网络某些特征的新方法。

通过这种方式，他们可以通过比以前更少的实验运行来了解更多关于纠缠网的信息。最后，与所有量子位一样，探针很容易受到环境中不必要的噪音的影响。这通常被认为是一件坏事，因为噪声会扰乱量子计算，但研究人员通过注意到探测器对噪声的敏感性取决于其周围纠缠网的性质，将这个错误变成了一个功能。因此，他们可以利用探测器的噪声敏感性来推断整个系统的纠缠。

研究小组首先研究了两种纠缠状态下对噪声敏感性的差异，并发现了明显不同的行为。当测量主导相互作用时(“解开阶段”)，网的股线保持相对较短。探测量子位仅对其最近的量子位的噪声敏感。

相反，当测量较弱并且纠缠更广泛时(“纠缠阶段”)，探头对整个系统的噪声敏感。这两种截然不同的行为之间的交叉是备受追捧的测量引起的相变的标志。

该团队还展示了一种从测量中自然出现的新型量子隐形传态：通过测量除两个遥远的量子位之外的所有处于弱纠缠态的量子位，这两个遥远的量子位之间会产生更强的纠缠。产生长距离测量引起的纠缠的能力使得实验中观察到的隐形传态成为可能。

纠缠阶段测量的纠缠稳定性可以激发新的方案，使量子计算对噪声更加鲁棒。测量在推动新相和物理现象方面发挥的作用也是物理学家的根本兴趣所在。

斯坦福大学教授、该研究的合著者维迪卡·凯马尼(VedikaKhemani)表示：“将测量纳入动力学为多体物理学引入了一个全新的游乐场，在这里可以发现许多令人着迷的新型非平衡相。我们探索了一些这些引人注目且反直觉的测量在这项工作中引发了现象，但未来还有更多丰富的东西有待发现。”

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