通过优化的单次纠缠共享增强量子通信

第一台可工作的量子计算机于1997年建成，它只包含两个量子比特。一年后，第一台运行Shor算法版本的量子计算机仅用了7个量子比特。几十年来，量子硬件的发展取得了巨大的进步，但我们可能需要数千个量子位才能执行真正有用的计算。那么，如何才能达到这个规模呢？

如今，世界上最大、最强大的量子处理器最多也只有几百个量子比特。他们距离达到一千个量子比特还有很长的路要走，更不用说数千个量子比特了。我们可能需要很多年才能在单个量子处理器上实现这些数字。然而，研究人员认为，通过在量子内部网中将多个量子处理器连接在一起，我们可以更快地实现高量子比特计数操作。这是一个被称为量子通信的研究领域。

这些联系如何运作？现在对这个问题的简短回答是：不太好实现。这种模块化量子计算模型是相当新的。工程师们刚刚开始开发在多个量子处理器之间共享量子信息所需的物理电缆和其他互连线，关于如何最好地使用这些互连，仍然有很多问题需要处理。

在即将发表的一篇论文中，IBM 研究人员 Vikesh Siddhu 和 John Smolin 决定尝试解决其中一个问题。具体来说，他们的问题是：如何在两个量子计算节点之间共享量子纠缠，同时保持尽可能高的保真度并使用最少的资源？

我们将在下面的文章中解释他们的解决方案。但首先，让我们回顾一下量子通信的一些基础知识。

量子通信中的纠缠共享

量子纠缠是一种现象，在这种现象中，两个或多个粒子的相关性比经典概率所允许的更强。一旦粒子进入像纠缠这样的量子关联，你可以将它们分开任意远的距离，只要你不干扰粒子本身，那么它们之间的相关性将保持不变。

在量子计算中，我们可以在量子比特之间创建纠缠，这相当于粒子之间发生的纠缠。这种量子比特纠缠在量子信息处理中起着至关重要的作用，使构建量子算法、量子密码学、量子隐形传态等基础技术成为可能。

纠缠构成了量子通信的支柱。每当我们通过互连从一个量子计算节点向另一个量子计算节点发送量子信息时，我们本质上是在两个量子系统之间“共享纠缠”。这意味着，如果我们想使用连接在一起的多个量子系统执行高量子比特计数计算，我们将需要不断改进我们用于跨量子通道共享纠缠的方法、指标和协议。换句话说，在单独的量子节点中纠缠量子比特越好，这些模块化量子系统将越有用。

为什么纠缠共享比看起来要难得多？

人们可能会认为将几个量子处理器连接在一起应该不会太困难。几十年来，人们一直在通过庞大、复杂的网络将经典计算机连接在一起。量子系统应该很简单，对吧？

不完全对。如今，经典处理器之间的通信就像写一封信、将其放入信封并将其交给其他人一样具有挑战性。两个量子处理器之间的通信更像是在你的食指上平衡两个完全同步的旋转盘，然后将其中一个盘传递给另一个人，所有这一切都不会让任何一个盘失去同步。还有一个小细节，你必须在一个拥挤的户外摇滚音乐会中做这件事，同时飓风从你头顶经过。

这比传统通信要复杂一些。区别在于，在经典通信中，我们只需要担心将经典信息从一个系统发送到另一个系统，例如，整齐的 0 和 1 列表。在量子通信中，我们将量子态从一个系统发送到另一个系统。量子态极其微妙，只需要很小的扰动就可以使它们坍缩成经典信息。

另一个问题是，量子系统之间的联系通常非常嘈杂，而且这种噪音甚至比我们隐喻的音乐会中期飓风更具破坏性。找出一种处理独立量子节点之间噪声的策略可能是量子通信中最大的挑战之一，也是所开发技术最重要的要素之一。

向后追溯高保真纠缠共享

在即将发表的一篇论文中，IBM 研究人员 Vikesh Siddhu 和 John Smolin 详细介绍了一种数学设备，可以计算出您应该准备的输入，以在量子比特组之间共享尽可能高的保真度纠缠。

为了解其工作原理，让我们假设您有两个通过量子互连连接在一起的量子处理器。我们将这些处理器称为“节点”。这是一个简单的场景：Alice 负责节点 1。Bob 负责节点 2。Alice 想要在她的节点中的一个量子比特（量子比特 R ）和 Bob 的节点中的一个量子比特（量子比特B）之间产生纠缠。

为了实现这一点，Alice需要在她的量子节点中的两个量子比特（量子比特R和我们将标记为A 的第二个量子比特）之间创建一个纠缠态。然后，她将通过量子互连将量子比特A的纠缠态部分发送到Bob 节点中的量子比特B。

Alice 在她的量子计算节点（左）中的两个量子比特之间准备一个纠缠态，然后通过嘈杂的 (N) 量子互连与 Bob 的节点（右）中的一个量子比特共享该纠缠态。

问题在于量子互连是有噪声的，并且噪声在传输到 Bob 的节点时将不可避免地改变量子状态。换句话说，如果Alice使用她的两个量子比特来创建类似于她希望通过Bob节点中的一个量子比特实现的理想纠缠态，那么当它通过量子互连时，该状态可能远非理想状态。

之前的研究可能认为，Alice 应该通过问自己一个问题来解决这个问题：“通过这个噪声信道，我能发送什么东西，才能在Bob的节点上‘着陆’最好(即到达最准确)?”

Siddhu 和 Smolin 决定让 Alice 问一个不同的问题：“如果 Bob 与我节点中的一个量子比特有最好的纠缠，那会是什么样子？鉴于我对系统和噪音的了解，我应该发送什么来使我们的设置看起来像最佳纠缠状态？” 这是一个更复杂的问题，但事实证明它更容易回答。

为了解决这个问题，Alice 和 Bob 首先必须进行合作，对他们在将他们的节点连接在一起的互连两侧看到的噪声进行全面描述。他们将使用量子态层析成像技术创建该描述，这是一种用于创建量子态及其相关噪声的详细数学描述的技术。然后 Bob 将通过经典通信渠道将他的部分描述发送给 Alice。

一旦 Alice 有了噪声的描述，她就会将其插入 Siddhu 和 Smolin 开发的数学仪器中，并用它来生成一个假设描述，描述她节点中的量子比特和Bob节点中的量子比特之间最好的纠缠共享是什么样的。

然后，就像你可能会翻转一个函数来找到它的输入一样，她将使用相同的数学仪器来反向工程她应该在她的节点中准备什么样的量子态，这样当它通过噪声互连时，噪声本身帮助它进化到最佳纠缠态。

当然，这里的数学运算比代数函数的求逆要复杂一些。例如，数学仪器得出的许多（如果不是大多数）解决方案将是非物理量子态，即无法通过量子过程准备的量子态。

如果是这样，Alice可以再次使用数学仪器找到最匹配的物理状态。然而，可能存在多种物理状态，它们在与原始非物理状态的相似程度方面基本相同，这可能是一件好事。通过一些额外的数学运算，Alice可以在可用选项中进行选择，以找到最适合她特定需求的身体状态。

一旦这一切都完成了，Alice准备她想要通过互连发送的纠缠状态，并将该纠缠的一半“传递”给Bob的节点。当该信息到达 Bob 的节点时，它被他的量子比特B捕获，我们现在可以说它们在两个量子节点之间共享了纠缠。

从处理器互连到量子望远镜

Siddhu 和 Smolin 在本文中介绍的工具令人兴奋的事情之一是，它们有可能为硬件工程师提供一些关于我们构建真正的量子内联网所需的互连的重要信息。通过计算可能通过给定噪声通道的最高保真度量子态，硬件开发人员可以为其互连设置一个下限，以达到足够的纠缠保真度水平，从而实现跨量子节点的有效纠缠共享。

在多个量子处理器之间创建高保真纠缠的能力可以在量子通信方面开辟一个充满可能性的世界。通过多个互连的量子系统解决更复杂的计算仅仅是个开始。这些进步还可能导致更大规模的“量子互联网”，其中量子信息可以在更远的距离内共享。量子互联网可以使强大的新密码协议和巨型“量子望远镜”的开发成为可能，这些望远镜可以用和地球一样宽的光圈观测恒星。

当然，在量子通信能力达到那种复杂水平之前，还有很多工作要做。一旦有了正确的突破，分享纠缠可以像与朋友分享电子邮件或有趣的视频一样简单。

参考链接：https://medium.com/qiskit/enhancing-quantum-communications-with-optimal-one-shot-entanglement-sharing-752279b0b7f9

—煤油灯科技victorlamp.com编译整理—