通过量子隐形传态验证量子信息的加扰

在多体系统的各个部分之间传播的量子相关性与系统向热平衡的演化有着内在的联系，这个过程称为热化。测量这些相关性具有挑战性，因为需要从存在的大量数据中过滤相关信息，而不会由于存在噪声而模拟或破坏测量。在自然界的一篇论文中，Landsman等人。1证明单个量子比特(量子比特)的量子隐形传态可以提供动态的直接证据，导致三体系统的所有组件之间的相关性。这种方法可以成为表征未来多体量子模拟器的有力工具 - 可控量子系统可用于模拟其他量子系统。

物理系统交互时，信息在它们之间分配。通常，该过程导致系统之间的相关性。在量子力学相互作用的情况下，据说相关系统是纠缠的;随后不能从任何单个系统检索信息，而是在整个复合数组中共享信息。因此，如果我们只查看本地区域(例如单个系统)，我们会得出结论，这些交互导致任何初始信息丢失。这种效应与相互作用系统向热平衡的进展有关 - 一种高度无序的状态。以这种方式对信息进行非本地化已被称为信息加扰，

用于研究加扰的已建立的方法涉及查看在多体系统的不同部分处在不同时间进行的测量。当相互作用有足够的时间来扩展两个空间分离系统A和B之间的相关性时，A的测量将影响B的后续测量。可以通过比较测量A的顺序来测试该效应，从而允许系统进化随着时间的推移，测量B产生与测量B的序列相同的结果，反向演化系统并测量A.然后，这些测量用于计算被称为时间有序的相关函数2的数学函数。

在理想条件下，当该方法应用于所有系统对时，它提供了信息加扰的证据。然而，每次重复测量时未能获得相同的结果表示加扰。这种类型的信号通常是不确定的，因为它可以通过噪声或其他缺陷的影响来模仿，这会导致类似的可重复性降低。因此，重要的是设计验证正确测量信息加扰的技术。

Landsman和同事使用的方法基于之前的提案3完成了这样的验证。该方案不是使用交互系统的单个副本，而是涉及在并行的量子比特互动系统的两个副本上实现类似的时间演变(图1)。这些副本最初是高度相关的 - 第一个副本中除了一个量子位之外的所有副本都与第二个副本中的等效量子位纠缠在一起。第一个副本中的剩余量子位称为输入，并使用一些量子信息进行编码。第二个副本中剩余的量子位与一个称为目标的外部量子位纠缠在一起，后者以最低能量状态准备。此外部量子比特不参与交互，但在验证中起着至关重要的作用。

在允许量子比特进行交互之后，实验者确定是否已经发生信息加扰。第一步包括检查两个副本中两个等效量子位之间是否存在特定的纠缠态。答案“是”的概率等于通过计算时间有序的相关函数获得的结果。然而，在当前方法中，使用第二步骤验证由纠缠状态的存在所暗示的加扰。该步骤涉及通过量子隐形传态观察输入的任意状态是否已经通过两个链接系统传递到目标，这仅在发生真正的加扰时发生。要显示此功能，Landsman等人。使用不同的量子电路来引入各种扰码量，并巧妙地说明了两步方案的优点。

研究人员进行这些实验的能力源于他们在量子比特上获得的精确控制水平 - 在这种情况下，被捕获的原子离子。除了实施新协议之外，这项工作还将这种控制扩展到一个更大的系统，而不是同一作者之前已经证明过的系统4。然而，当前工作中的离域发生在三个量子比特的系统中，这不是严格的“许多”体系，并且该方法依赖于两个副本中的动态之间存在直接对应关系。这种方法是否可扩展到更大的系统仍然是一个悬而未决的问题。然而，至关重要的是，噪声或其他不完美的主要影响可能是将观察到成功相关性的概率设为零，而不是产生错误的加扰指示。

在这项工作中实施的测量主要适用于实验室中的多体物理学，但有趣的是，它源于纯粹的量子力学黑洞的简化模型中的信息流的考虑，其快速地加扰信息。在之前的一项研究中5据显示，落入老黑洞的信息几乎可以立即从霍金辐射中恢复 - 黑洞释放的光线。目前的实验方案模仿了这种理论情景，输入量子态被传送到播放信息的一部分，输出被视为霍金辐射。尽管我们不太可能在黑洞附近操作陷阱离子量子计算机，但在实验技术中使用这些概念说明了追求和连接不同研究途径以促进科学进步的价值。

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