数学家声称，在噪声存在的情况下，不存在具有固定光谱的最大纠缠量子态

Josiah01

20 多年来，量子研究人员一直想知道量子系统在噪声存在的情况下是否能够实现最大程度的纠缠。西班牙一位数学家最近回答了这个问题：不能。
量子纠缠的概念始于尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦之间的一场辩论；爱因斯坦不喜欢这个概念，并嘲讽地称其为“鬼魅般的超距作用”。量子物理学家对这个概念苦苦思索了几十年，它被提炼成一个基本原理，称为贝尔不等式，它划定了经典领域和量子领域。
当系统中的物体（无论它们是什么）无法彼此独立描述时，就会发生纠缠。它们以某种方式相互联系，科学家无法解释——或者更确切地说，无法理解，因为这对我们这些进行经典而非量子思维的经典生物来说似乎太不直观了。
量子科学家正在利用纠缠现象来构建和改进量子计算机、量子加密、量子传感器和量子隐形传态等技术，并希望取得更大的进步。
许多量子科学家认为，量子计算机需要处于纠缠态的粒子或分子。这种状态只存在于量子力学中。考虑一个由两个纠缠电子组成的系统，它们的净自旋为零。测量其中一个电子的自旋，无论它是什么，纠缠的电子似乎都会立即进入相反的自旋，无论距离多远。
然而，令人费解的是，两个粒子之间并没有传递任何信息。一个粒子间相距超过 1,000 公里的系统已经证实存在纠缠。
量子比特是一个量子位，其中的状态（这里指电子）可以同时存在于多个状态中；电子被称为处于量子叠加态。上文中，在测量之前，每个电子都是一个量子位，是自旋向上状态和自旋向下状态的叠加。两个量子位的最大纠缠量子态称为贝尔态；量子位表现出完美的相关性，没有量子力学就无法解释。
近几十年来，科学家和工程师们开始将纠缠视为一种资源，它使量子技术能够完成传统系统中无法完成的任务。在使用量子纠缠时，研究人员希望达到最大纠缠状态，其中粒子、光或分子在现实世界中彼此之间具有最大纠缠连接——粒子以传统世界中不可能的方式相互关联，并且可以对纠缠系统进行所有可能的测量。这将提供最有用的纠缠形式，并将成为应用中的黄金标准。
在没有任何噪声（对纠缠态的任何干扰，例如热波动、机械振动、电源电压波动等）的情况下，量子信息理论家知道最大纠缠态是存在的，它与测量无关。
但现实世界中无可避免地存在着噪音，包括纠缠态。最大纠缠态还能存在吗？事实上，这个问题在维也纳量子光学与量子信息研究所公布的开放量子问题列表中排名第五。
现在，马德里卡洛斯三世大学的 Julio I. de Vicente 给出了否定的答案——如果存在噪声，就不可能同时最大化系统的所有类型的纠缠。他的研究成果发表在《物理评论快报》上。
“我们可以准备的最佳状态取决于纠缠量词的选择，只要我们偏离了理想化场景，即使是在最轻微的噪音下，”德维森特告诉 Phys.org。“因此，在嘈杂的状态下，没有最大纠缠的通用概念，我们可以准备的最佳状态取决于任务。”
“纠缠量词”为纠缠程度分配一个数字。此处的“任务”是指利用纠缠态的目的。
重要的是要理解，Vicente 的结果仅适用于具有固定频谱的噪声最大纠缠态。如果两个量子态具有相同量的潜在噪声，则它们具有相同的频谱。de Vicente 的结果不适用于我们可以改变两个量子态之间的频谱（即增加或减少噪声）的情况。
一个重要的纠缠量词是纠缠熵；与热力学一样，它是系统中无序程度的量度。贝尔态具有高熵，而双量子比特噪声态已知可以最大化其他纠缠量词。人们曾坚信它们应该最大化所有可能的量词，但现在事实证明这是错误的。
KBR 和 NASA 艾姆斯量子人工智能实验室 (QuAIL) 的科学家 Namit Anand 表示：“这很令人惊讶，因为众所周知，存在几类嘈杂的双量子比特状态，它们似乎类似于贝尔态的泛化。”但 de Vicente 的证明意味着，除其他事项外，在存在噪声的情况下，贝尔态的等价物并不存在。
“这提醒我们，事情并不像看上去那么简单，”阿南德说。“也许，就像基础研究中经常发生的那样，当一个悬而未决的问题得到解决时，我们留下的问题比答案还多。”
作者感谢 Namit Anand 提供的宝贵见解和帮助。