谷歌最新力作！“测量”成功产生量子纠缠和隐形传态

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量子力学充满了奇怪的现象，但也许没有一种现象比测量在理论中扮演的角色更奇怪：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纽带。而在一个由量子比特信息组成的大型系统中，测量的效果诱发出了惊人的新行为，甚至推动了量子信息全新阶段的出现。
当相互作用和测量这两种相互竞争的效应出现时，就会出现这种情况。在量子系统中，当量子比特相互影响时，它们的信息就会在“纠缠态”中实现非局部共享；但如果对系统进行测量，纠缠状态就会被破坏。测量与相互作用之间的斗争导致了两个截然不同的阶段：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。
10月18日，据《自然》(Nature)杂志报道，谷歌量子人工智能公司和斯坦福大学的研究人员在一个多达70个量子比特的系统中观察到了这两种状态之间的“交叉”——“测量诱导相变(measurement-induced phase transition)”，这是迄今为止探索测量诱导效应的最大系统。

实验在70个量子比特系统Sycamore量子处理器上进行了观察
研究人员还发现了一种新形式的量子隐形传态，这是一种未知的量子态从一组量子比特转移到另一组量子比特的迹象；在实验中，这种量子隐形传态是这些测量的结果：这些研究有助于激发量子计算的新技术。

谷歌量子人工智能公司和斯坦福大学的研究人员探索了测量如何从根本上改变量子信息在时空中的结构
我们可以把量子比特系统中的纠缠想象成一张错综复杂的连接网。当我们测量一个纠缠系统时，它对“网”的影响取决于测量的强度：它可能会完全摧毁这个网，也可能会剪切和修剪网的某些部分，但其他部分却完好无损。
要在实验中真正看到这张纠缠之网，难度可想而知。纠缠网本身是不可见的，因此研究人员只能通过看到量子比特测量结果之间的统计相关性来推断它的存在。要推断出纠缠网的模式，需要进行多次相同的实验。
这一挑战和其他挑战一直困扰着过去的实验，并将测量诱导相变的研究限制在非常小的系统规模上。此次，谷歌团队通过改变相互作用和测量之间的相对强度来观察这种相变。

为了解决这些难题，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，使所有测量都能在实验结束时进行、而不是交错进行，从而降低了实验的复杂性；其次，他们开发了一种新方法，用单个“探测”量子比特来测量网络的某些特征。这样，他们就可以通过比以前更少的实验次数了解到更多关于纠缠网的信息。

技巧1：互换空间和时间。这种转换将原本想研究的一维空间电路变成了二维电路；此外，由于现在所有测量都在电路的末端进行，因此可以通过改变电路中纠缠操作的次数来调整测量和纠缠交互的相对强度。

技巧2：克服后选择瓶颈。实验团队开发了一种新的“解码”协议，将纠缠的真实“网”的每个实例与经典模拟中的相同实例进行比较。这避免了后选择，并对所有“网”的共同特征非常敏感。
最后，“探针”和所有量子比特一样，容易受到环境中不必要的噪声影响。这通常被视为一件坏事，因为噪声会扰乱量子计算，但研究人员注意到，“探针”对噪声的敏感度取决于其周围纠缠网的性质，从而将这一缺陷转化为了一项功能。因此，他们可以利用探针对噪声的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度的差异，发现了截然不同的行为：当测量主导相互作用时（“解缠阶段”），网的股数仍然相对较短，探测量子比特只对其最近量子比特的噪声敏感。
与此相反，当测量较弱而纠缠更为普遍时（“纠缠阶段”），探针对整个系统的噪声都很敏感。这两种截然不同的行为之间的“交叉”是人们所追求的“测量诱导相变”的标志。
研究小组还展示了一种新形式的量子隐形传态，这种量子隐形传态是在测量过程中自然产生的：通过测量弱纠缠态中除两个遥远量子比特之外的所有量子比特，在这两个遥远量子比特之间产生了更强的纠缠。由于能够产生测量诱导的远距离纠缠，实验中观察到的隐形传态得以实现。
在纠缠阶段，纠缠对测量的稳定性可以激发新的方案，使量子计算对噪声更加稳健；测量在推动新阶段和物理现象方面所起的作用也是物理学家感兴趣的根本问题。

不同量子比特数量下的阶参数与门密度（纠缠操作次数）的关系。当纠缠操作的数量较少时，测量在限制整个系统的纠缠方面发挥着更大的作用。当纠缠操作的数量较多时，纠缠就会普遍存在，这就导致了阶次参数对系统大小的依赖性（插图）。

测量所有其他量子比特时，两个相距甚远的子系统（粉色和黑色量子比特）的代理熵与门密度关系。在~0.9处有一个有限大小的交叉。在此门密度之上，探测量子比特与系统另一侧的量子比特纠缠，这是隐形传态阶段的特征。
这一实验证明了测量对量子电路的影响。实验表明，通过调整测量强度，团队可以在系统内诱导量子纠缠向新阶段的转变，甚至产生一种量子隐形传态的新兴形式。
对此，这项研究的共同作者、斯坦福大学教授维迪卡·凯马尼(Vedika Khemani)评论道：“将测量纳入动力学为多体物理学引入了一个全新的舞台，在这里可以发现许多迷人的新型非平衡相。我们在这项工作中探索了其中一些引人注目和反直觉的测量诱导现象，但未来还有更多丰富的现象有待发现。”
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-10-generate-quantum-entanglement-teleportation.html[2]https://cns.utexas.edu/news/research/peering-inside-quantum-computer-creates-new-phases-information[3]https://blog.research.google/2023/10/measurement-induced-entanglement-phase.html

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