將多個粒子的狀態進行拆解後重新「組合編排」，這樣便會像拼搭樂高積木一樣產生出糾纏態。
撰文 | 董唯元
量子計算技術中，經常需要使多個量子比特處於特定的糾纏關係，例如在2個qubit上建立貝爾態
、在3個qubit上建立GHZ態
或W態
等等。這些量子比特的糾纏態對量子計算來說，就像普通計算機中的「與或非」門一樣基本而重要。所以如何便捷的製備這些糾纏態，就是量子計算技術中很重要的一項基礎技能。
早期研究者製備糾纏關係的思路非常刻板：要麼從粒子出生的產房入手，精心設計初始狀態，使同時產生的一對粒子具備特定的糾纏關係；要麼從粒子間相互作用入手，通過仔細調節的散射條件來實現所需要的糾纏。無論哪種方式，都是極為耗神費力的麻煩事。
1992年，貝爾實驗室的Bernard Yurke和David Stoler利用微觀粒子的全同性，率先明確提出了一種便捷製備糾纏態的方法，並利用此方法描述了製備貝爾態的具體過程[1, 2]。2019年底，波蘭研究者Pawel Blasiak和Marcin Markiewicz將這一方法進一步推廣，提出了原則上可以製備任意特定糾纏態的一般性方法，並將成果發表在《自然》雜誌上[3]。
粒子全同性，是量子理論所揭示的基本粒子的有趣性質之一。在經典模型中，兩個非親非故的粒子就像沙漠中的兩顆砂礫，除非相互接觸，否則它們之間不會存在任何關係。而量子理論告訴我們，基本粒子其實是波動著的場的激發，世界上的任意兩個X粒子，都是源自同一個X場的激發。所以兩個基本粒子更像是同一片水窪中的兩顆水滴，總是天生便彼此之間存在著聯繫。正是這一奇特的屬性，為糾纏態的製備提供了先決條件。
在Pawel Blasiak和Marcin Markiewicz介紹的方法中，製備多個粒子糾纏態變成了一項非常簡單的任務。簡而言之，他們的方法就是將多個粒子的狀態進行拆解後重新「組合編排」，這樣便會像拼搭樂高積木一樣產生出糾纏態。方法的核心就在於這個「編排」過程，具體需要哪種糾纏態，就進行相應的編排即可。
左側A1, A2,,…, AK為狀態輸入，右側B1, B2, …, BK為狀態輸出。U1, U2, …, UK為初始粒子各自的狀態調整，V1, V2, …, VK是輸出端各局域的狀態揀選。各種不同的編排方式σ共同構成集合SN，其中N標誌糾纏態的維度，例如σBell∈S4，σGHZ∈S6。
論文中作者例舉了幾個很具實用價值的例子：分別對應貝爾態、GHZ態和W態所對應的製備方式。
這一方法對輸入端粒子的來源沒有任何特殊要求，製備過程也不需要多個粒子之間發生相互作用，而且這一方法對玻色子和費米子同樣有效。就像用活字印刷術替代雕版印刷，這種便捷的新方法無疑為量子計算技術早日平民化解決了一個關鍵問題。
參考資料
[1] Yurke, B. & Stoler, D. Bell’s-inequality experiments using independent-particle sources. Phys. Rev. A 46, 2229 (1992).
[2] Yurke, B. & Stoler, D. Einstein-Podolsky-Rosen Effects from Independent Particle Sources. Phys. Rev. Lett. 68, 1251 (1992).
[3] Blasiak, P., Markiewicz, M. Entangling three qubits without ever touching. Sci Rep 9, 20131 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-55137-3
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原標題：《像拼搭樂高積木一樣製備量子糾纏態》
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