斯图加特大学（University of Stuttgart）的研究人员证明，许多量子计算和通信方案中的一个关键要素可以以超过通常假设的理论上限的效率来实现，从而为广泛的光子量子技术开辟了新的前景。

在巴尔兹研究小组使用两级干涉仪进行的实验中，辅助光子被用来为所有四种贝尔态生成不同的测量模式，从而将效率提高到传统的 50%以上。图片来源：Jon Heras，剑桥插图画家

量子科学不仅彻底改变了我们对自然界的认识，还激发了突破性的新型计算、通信和传感器设备。要在这些"量子技术"中利用量子效应，通常需要将对基本量子物理原理的深刻理解、系统的方法论进步和巧妙的工程设计结合起来。斯图加特大学 Stefanie Barz 教授的研究小组和量子科学与技术集成中心（IQST）的研究人员在最近的研究中正是实现了这种结合，他们提高了许多量子设备的一个重要组成部分的效率，使其超越了看似固有的极限。

历史基础： 从哲学到技术

量子技术领域的主角之一是一种被称为量子纠缠的特性。这一概念发展的第一步涉及阿尔伯特-爱因斯坦和尼尔斯-玻尔之间的激烈辩论。简而言之，他们争论的焦点是如何在多个量子系统之间共享信息。重要的是，这种共享方式在经典物理学中并不存在。

直到 20 世纪 60 年代，物理学家约翰-斯图尔特-贝尔（John Stewart Bell）设计出了一种通过实验解决分歧的方法。贝尔的框架首先是在光子（光量子）实验中探索出来的。这一领域的三位先驱--阿兰-阿斯佩特（Alain Aspect）、约翰-克劳瑟（John Clauser）和安东-蔡林格（Anton Zeilinger）因其在量子技术方面的开创性工作而共同获得了去年的诺贝尔物理学奖。

贝尔本人于 1990 年去世，但他的名字却在所谓的贝尔态中永垂不朽。贝尔态描述了两个粒子尽可能强烈纠缠的量子态。贝尔态一共有四种，而贝尔态测量--确定量子系统处于四种状态中的哪一种--是将量子纠缠应用于实际的重要工具。也许最有名的是，贝尔态测量是量子远距传输的核心组成部分，而量子远距传输又使大多数量子通信和量子计算成为可能。

实验装置完全由所谓的线性元件组成，如反射镜、分光镜和波板，这确保了可扩展性。图片来源：La Rici 摄影

但这存在一个问题：当使用传统光学元件（如镜子、分光镜和波板）进行实验时，四个贝尔态中的两个态具有相同的实验特征，因此无法相互区分。这就意味着，如果只使用这种"线性"光学元件，整体的成功概率（也就是量子传送实验的成功率）将被限制在 50%。或者真的是这样吗？

超越限制的飞跃：

这就是巴尔兹小组的工作所在。正如他们最近在《科学进展》（Science Advances）杂志上报告的那样，博士研究员马蒂亚斯-巴耶巴赫（Matthias Bayerbach）和西蒙娜-达奥雷利奥（Simone D'Aurelio）进行了钟态测量，成功率达到了 57.9%。但是，他们是如何达到现有工具无法达到的效率的呢？

他们之所以能取得如此杰出的成果，是因为在纠缠光子对的同时使用了另外两个光子。人们在理论上已经知道，这种"辅助"光子为进行贝尔态测量提供了一种方法，其效率超过 50%。然而，实验上的实现仍然遥不可及。原因之一是需要精密的探测器来分辨撞击它们的光子数量。

拜尔巴赫和达奥雷利奥通过使用 48 个单光子探测器，以近乎完美的同步方式探测到达探测器阵列的多达四个光子的精确状态，从而克服了这一挑战。有了这种能力，研究小组就能检测到每个贝尔态的不同光子数分布，尽管原本无法区分的两种态会有一些重叠，这就是为什么即使在理论上，效率也不会超过 62.5%。但是，50% 的障碍已经被打破。此外，成功的概率原则上可以任意接近 100%，但代价是必须添加更多的辅助光子。

光明的未来前景

此外，再复杂的实验也有不完美之处，在分析数据和预测该技术如何用于更大的系统时，必须考虑到这一现实。因此，斯图加特的研究人员与美因茨约翰内斯-古腾堡大学的理论家、辅助贝尔态测量方案的设计者之一彼得-范-卢克（Peter van Loock）教授博士合作。Van Loock 和 Barz 都是 BMBF 资助的 PhotonQ 合作项目的成员，该合作项目汇集了全德国的学术和工业合作伙伴，致力于实现一种特定类型的光子量子计算机。改进的贝尔态测量方案是这一合作的首批成果之一。

虽然效率从 50% 提高到 57.9% 看起来并不高，但在需要进行大量连续测量的情况下，例如在远距离量子通信中，它却具有巨大的优势。要实现这种升级，线性光学平台的仪器复杂度必须低于其他方法。

在斯图加特和巴登-符腾堡州当地量子社区的长期研究合作项目IQST和最近成立的网络QuantumBW等倡议的保护伞下，我们正广泛探索如何在实践中充分利用量子纠缠的机会。