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　　近日，清(qing)華(hua)大(da)學交叉信(xin)息研究(jiu)(jiu)院(yuan)馬雄(xiong)峰副(fu)教授(shou)研究(jiu)(jiu)組在糾纏(chan)探(tan)測協(xie)議的研究(jiu)(jiu)工作中取得重要進(jin)展，證明了(le)既高效又強(qiang)大(da)的單(dan)拷貝糾纏(chan)判據(ju)的不(bu)存在性。

　　量(liang)(liang)子信(xin)息(xi)技術有望在各(ge)種信(xin)息(xi)處理任務中(zhong)展示(shi)優勢(shi)(shi)。目(mu)前，我們正處于“嘈(cao)雜的(de)(de)中(zhong)等規(gui)模量(liang)(liang)子設備”的(de)(de)階段，研究人員可以操控至多50到200個(ge)量(liang)(liang)子比特以展示(shi)量(liang)(liang)子優勢(shi)(shi)。對(dui)于這些設備，糾(jiu)纏的(de)(de)產生(sheng)與(yu)探(tan)測(ce)是衡量(liang)(liang)設備質量(liang)(liang)的(de)(de)重要基準。然而(er)反直(zhi)覺的(de)(de)是，即使糾(jiu)纏態(tai)幾(ji)乎(hu)占據整(zheng)個(ge)量(liang)(liang)子態(tai)空間，糾(jiu)纏探(tan)測(ce)的(de)(de)難(nan)度仍超出預估。

　　在各種(zhong)糾纏(chan)判據(ju)中(zhong)，糾纏(chan)見證(zheng)是最直接的(de)也是實驗(yan)中(zhong)最常使用的(de)一種(zhong)。然而，許多證(zheng)據(ju)表明，糾纏(chan)見證(zheng)只有在事先對(dui)目(mu)標(biao)量(liang)子態有精確了解(jie)的(de)情況下才有效。態制備中(zhong)不可(ke)預測(ce)的(de)噪音會大大降低糾纏(chan)見證(zheng)的(de)成功概率。

　　為了解決這(zhe)(zhe)個問題，研究(jiu)人員開(kai)發了非線性糾(jiu)纏(chan)判據，如(ru)著名的部分轉置判據等(deng)。盡管比糾(jiu)纏(chan)見證(zheng)更(geng)有效(xiao)，這(zhe)(zhe)些(xie)非線性判據在(zai)很(hen)大程度上依(yi)賴于量子態(tai)層析。然而態(tai)層析需(xu)要(yao)(yao)消耗(hao)(hao)指數(shu)多的資源，在(zai)實驗上往往無法(fa)(fa)負(fu)擔。在(zai)過去的幾十年(nian)里，研究(jiu)人員致力于優化這(zhe)(zhe)些(xie)強大的非線性糾(jiu)纏(chan)判據以減少(shao)實驗耗(hao)(hao)費(fei)。近年(nian)來(lai)，一類(lei)基于矩和隨機(ji)測量的判據被提(ti)出，可以做到(dao)在(zai)不做量子態(tai)層析的情況下探(tan)測糾(jiu)纏(chan)，很(hen)好地滿(man)足當前量子設備的限制。盡管比態(tai)層析高效(xiao)得多，這(zhe)(zhe)些(xie)方法(fa)(fa)仍然需(xu)要(yao)(yao)指數(shu)多的資源耗(hao)(hao)費(fei)。

　　上述事(shi)實表明了一個(ge)有趣的(de)(de)現象(xiang)：高效(xiao)(xiao)的(de)(de)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)判(pan)(pan)據(ju)往(wang)往(wang)不(bu)夠強大，而強大的(de)(de)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)判(pan)(pan)據(ju)則(ze)無法(fa)被高效(xiao)(xiao)的(de)(de)實驗實現。在(zai)此(ci)項工(gong)作中，研究人員對(dui)上述觀(guan)察(cha)進行了理(li)論的(de)(de)研究。通過一種系統(tong)的(de)(de)方法(fa)來評估糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)判(pan)(pan)據(ju)的(de)(de)探測(ce)(ce)能力(li)，他們(men)發現了糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)判(pan)(pan)據(ju)的(de)(de)效(xiao)(xiao)率和有效(xiao)(xiao)性之間(jian)的(de)(de)限制。對(dui)于一個(ge)與環境耦合(he)的(de)(de)隨機系統(tong)，他們(men)證明出，任何基于單拷(kao)貝測(ce)(ce)量(liang)的(de)(de)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)判(pan)(pan)據(ju)，都需要(yao)指數(shu)多(duo)的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)來有效(xiao)(xiao)地探測(ce)(ce)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)。否(fou)則(ze)，該判(pan)(pan)據(ju)的(de)(de)探測(ce)(ce)能力(li)將雙指數(shu)衰減。此(ci)外(wai)，如果允許(xu)多(duo)拷(kao)貝聯合(he)測(ce)(ce)量(liang)，糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)判(pan)(pan)據(ju)的(de)(de)有效(xiao)(xiao)性可以得到指數(shu)級的(de)(de)提高，這意(yi)味著在(zai)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)探測(ce)(ce)問題上的(de)(de)量(liang)子優勢。

　　該(gai)研究成果近(jin)日以“糾纏可探(tan)測性的理論局限(xian)”（Fundamental Limitation on the Detectability of Entanglement）為(wei)(wei)題在(zai)知名期刊(kan)《物(wu)理評論快報》（Physical Review Letters）發表，并被選為(wei)(wei)編輯(ji)推薦（Editors’Suggestions）。

　　該論文通訊作者為(wei)清(qing)(qing)華(hua)大學交(jiao)叉(cha)信息研(yan)究院馬雄峰副(fu)教授(shou)，清(qing)(qing)華(hua)大學交(jiao)叉(cha)信息研(yan)究院2019級(ji)本科生劉鵬(peng)宇(yu)為(wei)文章(zhang)的第一作者。其(qi)他作者還(huan)包(bao)括(kuo)交(jiao)叉(cha)信息研(yan)究院2020級(ji)博士生劉振寰和2019級(ji)本科生陳澍。該項目得到國(guo)家自(zi)然科學基(ji)金(jin)、國(guo)家重點研(yan)發計劃(hua)等的支(zhi)持。