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迈向高效量子技术！线性光学贝尔态测量成功率突破上限
光子盒研究院
当今大多数量子通信和计算方法都基于贝尔态推算。然而，由于目前基于线性光学的贝尔态测量系统只能识别四个贝尔态中的两个，因此这一关键阶段的最大成功概率最多只有50%。
现在，斯图加特大学的研究人员已经证明，许多量子计算和通信方案中的一个关键部分可以高效地进行，超过了普遍接受的理论上限，为各种光量子技术开辟了新的可能性。
要在量子技术中利用量子效应，需要对量子物理原理的深刻理解、系统的方法论进步和巧妙的工程设计。这项研究中的科学家们实现了这一组合：他们提高了许多量子设备的一个基本构件的效率，超越了看似固有的极限。
量子技术领域的主角之一是一种被称为“量子纠缠”的特性。这一概念发展的第一步是阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间的激烈争论。简而言之，他们争论的焦点是如何在多个量子系统之间共享信息。重要的是，这种共享方式在经典物理学中并不存在。
直到20世纪60 年代，物理学家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)设计出了一种通过实验解决分歧的方法。贝尔的框架首先是在光子（光量子）实验中探索出来的。这一领域的三位先驱：阿斯兰·阿斯佩特(Alain Aspect)、约翰·克劳瑟(John Clauser)和安东·蔡林格(Anton Zeilinger)因其在量子技术方面的开创性工作而共同获得了去年的诺贝尔物理学奖。
贝尔本人于1990年去世，但他的名字在所谓的贝尔态中永垂不朽。贝尔态描述了两个粒子尽可能强烈纠缠的量子态。贝尔态测量能确定量子系统处于四种状态中的哪一种，对于在现实世界中应用量子纠缠至关重要。事实上，贝尔态共有四种。
贝尔态测量最显著的应用是量子隐形传态，它实现了大部分量子通信和量子计算。
但有一个问题：当使用传统光学元件（如镜子、分光镜和波板）进行实验时，四个贝尔态中的两个态具有相同的实验特征，因此无法相互区分。这就意味着，如果只使用这种“线性”光学元件，整体的成功概率（也就是“量子瞬移”实验的成功率）将被限制在50%。
——这就是Barz小组的工作切入点。
现在，这篇研究的科学家们在贝尔态测量中取得了57.9%的成功率。
他们又是如何达到现有工具无法达到的效率的呢？
他们在纠缠光子对的同时使用了两个额外的光子。这种 “辅助”光子为进行贝尔态测量提供了一种方法，使得其效率超过了50%。然而，实验证明这种方法难以实现；这主要是由于需要先进的探测器来确定有多少光子撞击它们。
科学家们通过使用48个单光子探测器，以近乎完美的同步方式探测到达探测器阵列的多达四个光子的精确状态，克服了这一挑战——这种能力使科学家们能够看到每个贝尔状态的不同光子数分布。
由于最初无法区分的两种状态存在一些重叠，因此，即使在原则上，效率也不可能高于62.5%。然而现在，50%的上限已经被打破；此外，理论上成功的可能性可以任意接近100%，而不需要额外的辅助光子。
尽管效率从50%提高到57.9%似乎不大，但在需要进行大量连续测量的场景（例如长距离量子通信）中，它提供了巨大的优势。
参考链接：[1]https://www.techexplorist.com/key-ingredient-found-quantum-computation-communication/69501/[2]https://phys.org/news/2023-09-linear-path-efficient-quantum-technologies.html
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