量子系统的纠缠是所有量子信息技术的基础。几个量子位之间复杂形式的纠缠特别有趣。然而，这不仅会导致巨大的计算能力，而且在以数学方式描述公式时也会导致公式的爆炸性增长。例如，这些复杂状态的抽象图形表示以“星”、“环”或“树”的形式提供了优雅的简化。
加兴马克斯·普朗克量子光学研究所所长格哈德·伦佩(GerhardRempe)系主任奥利维尔·莫林(OlivierMorin)的团队现在首次在实验中成功创建了环形和树形图状态。这是量子计算机或量子互联网发展的重大突破。
在伦佩作为先驱长期以来一直在研究的未来量子互联网中，光量子可以因此纠缠在一起，形成更稳定的量子信息，以防止丢失。该作品发表在《自然》杂志上。
纠缠的概念构成了所有正在研究和开发的量子信息技术的基础，无论是量子计算机还是量子互联网。相互纠缠的成对量子比特(或简称量子比特)作为基本元素。
您可以将这样的一对想象为通过电缆相互连接的两个LED灯。通过将越来越多的灯连接在一起，可以形成更长的光链。灯代表量子位，电缆代表它们之间的纠缠。这不仅可以创建链，还可以创建环、星形或树形结构。
然而，在这个类比中，通过绘制看起来像圣诞装饰品的图像对于量子信息处理也非常有趣，现在又以纠缠量子位的形式回归。“例如，通过纠缠量子位的梯形配置，可以构建通用量子计算机，”格哈德·伦佩(GerhardRempe)解释道。
他的研究兴趣在于量子互联网，其中量子信息被封装在纠缠光子中作为“飞行量子位”，通过光纤网络发送。这里最大的挑战是光子的损失，它随着传输长度的增加而呈指数增长。
作为一种解药，例如，将树形纠缠叠加在相继飞行的光子流上是很聪明的。伦佩解释说：“你可以将量子信息冗余地写入其中，即使只有一半的光子到达接收器，它仍然可以重新创建这些信息。”
复杂纠缠的优雅图形表示法
根据物理学家的说法，从外部看，光子流总是像一串珍珠，无论光子图形量子态的形状如何。星形、树形或环形的图形表示位于抽象的数学空间中。
数学物理学多年前为了解决一个问题而开发了它：相互纠缠的量子位越多，尤其是交叉连接，人们需要写下的量子力学公式就越庞大。
这本质上与产生量子比特计算能力的指数爆炸相同。另一方面，图形表示非常简单：节点象征着量子比特，节点之间的线代表纠缠。
实验上极难实现
理论上看起来非常优雅和简单的东西在实验中实现起来却极其困难。“2007年，我们第一次设想可以使用我们的实验技术产生量子力学图态，”Rempe说。
这位物理学教授花了几十年的时间完善了一个过程，在这个过程中，单个原子被困在两个高反射镜之间。这些光学腔可用于解决物理学中的各种基本问题，例如光如何与物质相互作用。这样的空腔对原子的作用就像两面镜子，人们可以将自己置于其间，无数次地将自己视为反射中的反射，等等。
一旦原子发光，即发射光子，它就会“看到”数十万个被照亮的原子，它们是其自身的镜像。这迫使原子精确地沿镜轴方向发射光子。两个镜子中的一个具有轻微的渗透性，就像在激光中一样，因此光子可以逃离“镜厅”并被探测器记录。
只有通过这个技巧，研究人员才能知道在哪里寻找微小光子，从而正确定位探测器。原子本身漂浮在光场中，可以使用激光和高精度光学器件通过腔的开口端进行操纵。
物理上分离的量子位被融合成单个逻辑量子位
2007年，一名博士生首次成功地以这种方式诱导原子发射出两个纠缠的光子。这是Rempe最初的火花。2022年，Rempe系的OlivierMorin团队实现了12个链状纠缠光子和14个星状纠缠光子——创造了世界纪录。
然而，从数学上来说，这些只是一维图状态，包括“星”。为了得到环或树，需要第二个维度，即图状态抽象空间中的“区域”。
研究小组在光腔中捕获了两个铷87原子，并用这两个原子制备了一个一维图态，其中原子与许多光子纠缠在一起。通过对两个原子的联合测量，两个物理上分离的原子量子位然后被“融合”成单个“逻辑”量子位。然后生成一个二维图状态。
通过这种方式，例如，可以将简单的光子链融合成树形图状态，从而生成适合复杂应用的复杂纠缠图案。
在经历了近十年的科学马拉松之后，伦佩谈到这一突破时表示：“其影响是巨大的。”“目前正在围绕这个主题形成一个全新的研究社区。”
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