20 多年来，量子研究人员一直在思考量子系统是否可以在存在噪声的情况下产生最大的纠缠。一位来自西班牙的数学家最近回答了这个问题：不。

量子纠缠的想法始于 Niels Bohr 和 Albert Einstein 之间的一场辩论;爱因斯坦不喜欢这个概念，并嘲笑地称其为“远距离的幽灵般的动作”。几十年来，量子物理学家对这个概念感到困惑，它被提炼成一个被称为贝尔不等式的基本原理，它描绘了经典领域和量子领域。

当系统中的对象（无论它们是什么）无法彼此独立地描述时，就会发生纠缠。它们以科学家无法解释的方式——或者更确切地说，无法理解——以某种方式联系在一起，因为对于我们这些进行经典而非量子思考的经典人来说，这似乎太不直观了。

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，并希望走得更远。

许多量子科学家认为，量子计算机将需要处于纠缠状态的粒子或分子。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，其净自旋为零。测量一个的自旋，无论它是什么，纠缠的伙伴似乎会立即陷入相反的自旋，无论距离多远。

然而，相当神秘的是，没有信息在两个粒子之间传播。已经证明了成员相距超过 1,000 公里的系统存在纠缠。

量子比特是一个量子比特，其中状态（此处为电子）可以同时以多个状态存在;据说电子处于量子叠加状态。在上面，在测量之前，每个电子都是一个量子比特，是自旋上升状态和自旋下降状态的叠加。两个量子比特的最大纠缠量子态称为贝尔态;量子比特表现出完美的相关性，如果没有量子力学就无法解释。

近几十年来，科学家和工程师已经开始将纠缠视为一种资源，使量子技术能够完成在经典系统中无法完成的任务。当使用量子纠缠时，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具有最大的纠缠连接——粒子以一种在经典世界中不可能的方式相关，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，并将成为应用的黄金标准。

在没有任何噪声的情况下——纠缠态的任何干扰，例如热波动、机械振动、电源电压波动等——量子信息理论家知道存在最大纠缠态，这与测量无关。

但现实世界不可避免地到处都有噪音敲门，包括纠缠状态。最大纠缠状态还能存在吗？事实上，这个问题在维也纳量子光学和量子信息研究所发布的开放量子问题列表中排名第 5。

现在，马德里卡洛斯三世大学的 Julio I. de Vicente 已经否定了这个问题——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。他的工作发表在 Physical Review Letters 上。

“一旦我们摆脱理想化的场景，即使是在最轻微的噪音形式下，人们可以准备的最佳状态取决于纠缠量词的选择，”德维森特告诉 Phys.org。“因此，在嘈杂的机制中，没有最大纠缠的普遍概念，人们可以准备的最佳状态是依赖于任务的。”

“纠缠量词”为纠缠的程度分配一个数字。在这种情况下，“任务”是利用纠缠状态的目的。

重要的是要了解 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的基础噪声量，则它们具有相同的光谱。de Vicente 的结果不适用于允许我们在两个量子态之间改变光谱（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。贝尔状态具有大量的熵，并且已知双量子比特噪声状态可以最大化其他纠缠量词。人们坚信他们应该最大化所有可能的量词，但现在证明这是不正确的。

KBR 和 NASA 艾姆斯量子 AI 实验室 （QuAIL） 的科学家 Namit Anand 说：“这让人感到惊讶，因为众所周知，存在一类嘈杂的双量子比特态，这些态似乎就像贝尔态的泛化。但 de Vicente 的证明暗示，除其他外，在存在噪声的情况下，贝尔状态的等价物并不存在。

“这提醒我们，故事并不像看起来那么简单，”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，我们留下的问题多于答案。”

作者感谢 Namit Anand 的宝贵见解和帮助。

更多信息：Julio I. de Vicente，固定光谱的最大纠缠混合态并不总是存在，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.050202。在 arXiv 上：arxiv.org/abs/2402.05673

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv