近日，清华大学交叉信息研究院马副教授研究组在纠缠检测协议研究方面取得重要进展，证明高效强大的单拷贝纠缠判据不存在。
量子信息技术有望在各种信息处理任务中显示其优势。目前，我们正处于“嘈杂的中型量子器件”阶段，研究人员可以操纵多达50到200个量子比特来展示量子优势。对于这些器件，纠缠的产生和检测是衡量器件质量的重要基准。然而，与直觉相反的是，即使纠缠态几乎占据了整个量子态空间，纠缠探测的难度仍然超出了估计。
在各种纠缠判据中，纠缠见证是实验中最直接、最常用的一种。然而，许多证据表明，纠缠见证只有在事先准确知道目标量子态的情况下才有效。准备中不可预知的噪音会大大降低纠缠见证的成功概率。
为了解决这个问题，研究人员发展了非线性纠缠判据，比如著名的部分换位判据。虽然比纠缠见证更有效，但这些非线性判据在很大程度上依赖于量子态层析。但是，状态色谱需要消耗指数级的资源，这在实验中往往是负担不起的。在过去的几十年里，研究人员致力于优化这些强有力的非线性纠缠判据，以降低实验成本。近年来，一种基于矩和随机测量的判据被提出，它可以在不需要量子态层析的情况下探测纠缠，很好地满足了当前量子器件的局限性。虽然它比色谱法更有效，但这些方法仍然需要成倍增加的资源。
以上事实显示了一个有趣的现象：高效的纠缠判据往往不够强，而强大的纠缠判据却无法通过高效的实验实现。在这项工作中，研究人员对上述观察结果进行了理论研究。通过一种系统的方法来评估纠缠判据的探测能力，他们发现了纠缠判据在效率和有效性之间的局限性。对于一个与环境耦合的随机系统，他们证明了任何基于单拷贝测量的纠缠判据都需要指数级更多的测量才能有效探测纠缠。否则，该标准的检测能力将呈指数衰减。此外，如果允许多拷贝联合测量，纠缠判据的有效性可以成倍提高，这意味着纠缠探测中的量子优势。
该研究成果近日发表在知名期刊《物理评论快报》 (Physical Review Letters)上，题为《纠缠可探测性的理论限制》，并被选为编辑建议。
本文作者为清华大学交叉信息研究院马副教授，清华大学交叉信息研究院2019级本科生是本文第一作者。其他作者包括2020年的博士生刘振环和2019年的本科生陈数。本项目得到了国家自然科学基金和国家科技攻关项目的资助。d程序。
