威特沃特斯兰德大学(Wits)的研究人员与来自苏格兰和中国台湾的合作者一起演示了如何快速解开量子纠缠系统，他们在短短几分钟内就揭示了100维态的结构，而无需花费数十年进行全面重建。这项工作为量子计算和量子通信提供了一种新的、快速的工具。

在多维度上纠缠在一起的量子态是新兴量子技术的关键，更多维度意味着更高的量子带宽(更快)和更好的噪声弹性(安全性)，这对于快速安全的通信和无错误的量子计算至关重要。现在，南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的研究人员与国际合作者一起，发明了一种新方法来探测这些“高维”量子态，并将测量时间从几十年缩短到了几分钟。

该研究于八月底发表在著名的科学期刊《自然通讯》上。威特沃特斯兰德大学博士生Isaac Nape与杰出的Andrew Forbes教授合作，后者是这项研究的首席研究员兼Wits物理学院结构光实验室主任，另外的合作者还有Wits博士后研究员Valeria Rodriguez-Fajardo博士、访问台湾研究员Hasiao-Chih Huang博士，以及来自苏格兰赫瑞瓦特大学的Jonathan Leach博士和Feng Zhu博士。

在他们题为“测量高维纠缠态的维数和纯度”的论文中，该团队概述了一种新的量子测量方法，并在100维量子纠缠态上进行了测试。如果使用传统方法，测量时间会随着维度的增加而增加(这是不利的)，利用完整的“量子态断层扫描”来解开100维态需要数十年的时间。但是，使用该团队的方法，量子系统的主要信息(如有多少维度纠缠在一起，纯度如何)可以在短短几分钟内推导出来。新方法只需要进行简单的“投影”，在大多数实验室中使用传统工具就可以轻松完成。该团队以光为例使用这种全数字方法进行了测量。

Forbes教授说，问题在于，虽然高维状态很容易制造，尤其是光的纠缠粒子(光子)，但它们并不容易测量，我们目前用于测量和控制它们的工具箱几乎是空的。你可以把高维量子态想象成骰子的面。传统的骰子有6个面，编号为1到6，用于组成六维字母表，可用于计算或在通信中传输信息。制作“高维骰子”意味着骰子有更多的面，100个维度等同于有100个面，这是一个相当复杂的多边形。

Forbes接着说。在我们的日常世界中，很容易通过数面来了解我们可以使用什么样的资源，但在量子世界中则不然。在量子世界里，你永远看不到整个骰子，所以数面是非常困难的。解决这个问题的一个方法是进行断层扫描，就像人们在医学界所做的那样，会从物体的很多很多切片中构建出一张图片。但是量子物体中的信息可能是巨大的，所以这个过程花费的时间是令人望而却步的。

他补充道。还有一种更快的方法是进行“贝尔测量”，这是一种著名的测试，用于判断你面前的事物是否是纠缠的状态，例如询问“你是量子还是非量子”。虽然这证实了骰子的量子相关性，但它并没有说明它的面数。

执行这项研究的博士生Isaac Nape说：“我们的工作通过一个偶然的发现绕过了这个问题，我们发现有一组测量值既不是断层扫描也不是贝尔测量的，但它包含了两者的重要信息。用技术术语来说，我们混合了这两种测量方法来进行多重投影，它看起来像断层扫描，但测量结果的可见性就好像它们是贝尔测量一样。这揭示了可以从量子强度中提取与多维度相关的隐藏信息。类贝尔方法的速度与类层析成像方法的信息相结合，意味着可以快速定量地确定关键量子参数，如维度数和量子态的纯度。这是第一种此类方法。”

Forbes说：“我们并不是建议用我们的方法取代其他技术。相反，我们将其视为揭示你正在处理内容的快速探索方法，然后使用此信息为下一步做什么做出明智的决定。”例如，该团队将他们的方法视为现实世界量子通信链路中的游戏变革者，在这种情况下，快速测量量子态的噪声程度以及这对有用维度的影响至关重要。（编译:Qtech）