科学家验证量子信息加扰

信息的艺术家构想落入一个黑洞。研究人员已经对量子加扰进行了实验测试，量子加扰是对量子粒子集合中存储的信息的混乱改组。该实验最初是受黑洞物理学启发的。量子加扰是关于信息如何落入黑洞并以随机辐射的形式出现的一种建议。论据可能是，它根本不是随机的，黑洞只是很好的争夺者。（信贷E.爱德华兹/ JQI）

联合量子研究所的研究人员已经对量子加扰进行了实验测试，量子加扰是对存储在量子粒子集合中的信息的混乱混洗。他们于7月7日出版的《自然》杂志上对一组七个原子离子进行的实验展示了一种区分加扰和保持真实信息丢失的新方法，加扰可以保持量子系统中的信息量，但会混合在一起。该协议可能有一天可以帮助验证量子计算机的计算，该计算利用量子物理学的规则以新颖的方式处理信息。

JQI的研究生，新论文的主要作者凯文·兰德斯曼（Kevin Landsman）说：“就已经运行的量子算法的难度而言，我们名列前茅。”“这是一个非常复杂的实验，需要高度的控制。”

由JQI研究员和UMD杰出大学教授Christopher Monroe以及JQI研究员Norbert Linke组成的研究小组，通过使用定时适当的激光脉冲序列精心操纵七个带电原子离子的量子行为，进行了加扰测试。他们发现，他们可以正确地诊断信息是否以大约80％的准确性在整个由七个原子组成的系统中被加密。

Landsman说：“通过加扰，一个粒子的信息将被混合或散布到整个系统中。”“它似乎丢失了，但实际上仍然隐藏在不同粒子之间的相关性中。”

量子加扰有点像重新洗牌。这些牌最初是按顺序排列的，从王牌到王牌，而西装则是一堆又一堆。充分改组后，甲板看上去很混乱，但至关重要的是，有一种方法可以逆转这一过程。如果您仔细地跟踪每次混洗如何交换卡，那么通过反过来重复所有这些交换和交换来“拆洗”牌组将很简单（尽管很乏味）。

量子加扰类似，因为它混合了存储在一组原子中的信息，并且还可以逆转，这是加扰与真实的，不可逆的信息丢失之间的主要区别。Landsman及其同事在新测试中利用了这一事实，即对一组原子进行加扰，并对第二组进行相关的加扰操作。这两个操作之间的不匹配将表明该进程没有加扰，从而导致该方法的最后一步失败。

最后一步依赖于量子隐形传态-一种在可能彼此相距很远的两个量子粒子之间传递信息的方法。在新实验的情况下，传送距离适中-仅35微米将第一个原子与第七个原子分开-但这是团队检测到扰动的特征：如果信息成功地从一个原子传送到另一个原子，则意味着第一个原子的状态分布在所有原子上，只有在信息混乱的情况下，这种情况才会发生。如果信息丢失，将无法成功进行隐形传态。因此，对于可能不知道加扰属性的任意过程，可以使用此方法来测试它是否加扰，甚至加多少。

作者说，以前的加扰测试无法完全捕捉隐藏信息和丢失信息之间的区别，这主要是因为在这两种情况下，单个原子看起来都相似。该新协议最初是由加拿大周长研究所的理论家贝尼·吉田（Beni Yoshida）和加利福尼亚大学伯克利分校的诺曼·姚（Norman Yao）首次提出的，通过将特定粒子之间的相关性考虑为隐形传态来区分这两种情况。

Linke说：“当我们的同事Norm Yao向我们介绍了这项用于加扰的传送石蕊试纸，以及它如何需要至少7个qubit才能连续运行多个量子运算时，我们知道我们的量子计算机非常适合这项工作。” 。

该实验最初是受黑洞物理学启发的。科学家长期以来一直在思考当某物掉入黑洞时会发生什么，特别是当某物是量子粒子时。量子物理学的基本规则表明，不管黑洞对量子粒子有什么作用，它都应该是可逆的。这一预测似乎与黑洞倾向于将物体压成无限小的点并发出辐射的倾向不符。但是，由于没有一个真正的黑洞可以把东西扔进去，研究人员一直在猜测。

量子加扰是关于信息如何落入黑洞并以随机辐射的形式出现的一种建议。论据可能是，它根本不是随机的，黑洞只是很好的争夺者。本文讨论了这种动机，并解释了将量子隐形传态与经过虫洞的信息进行比较的实验。

“不管真正的黑洞是不是非常好的扰频器，在实验室中研究量子扰频都可以为量子计算或量子模拟的未来发展提供有用的见解，” Monroe说。

出版物：K. A. Landsman等人，“验证的量子信息加扰”，自然卷567，第61-65页（2019）