量子纠缠是一种宝贵的资源，可实现防间谍通信并允许量子算法比经典算法更快。但与其他量子现象一样，纠缠也极其微妙，对环境噪声非常敏感。由于许多量子通信协议需要高度纠缠才能正常运行，因此保持纠缠态至关重要。

现在有一个解决方案，但需要付出昂贵的代价。通过牺牲一些纠缠性较差的量子物体，物理学家可以从剩余的物体中创造出更好的纠缠对，这有点像煮掉多余的水将淡汤变为丰盛的浓汤。这种增加量子物理纠缠的方法被称为纠缠蒸馏，在1990年代后期首次在理论上被描述。

从那时起，这种方法就已在从超导电路到光子的各种量子系统中得到了证明。然而，现在奥地利维也纳量子光学与量子信息研究所(IQOQI)的研究人员仅使用一对光子就证明了纠缠蒸馏。通过使用嵌入在这个光子对中的各种量子特性，研究人员可以比以往任何时候都更快、更容易的产生和分布纠缠。

“煮沸”量子比特

纠缠允许成对的量子对象相互通信，而不管它们在空间中分离的有多远。这一特性使得纠缠的光子对非常有用，因为它可以让两方互相“听到”对方的秘密，但没有其他人可以在不干扰他们微妙量子系统的情况下进行窃听。然而，随着时间的推移，纠缠会被环境降解，使得纠缠的光子越来越难以清楚的“听到”彼此。

纠缠蒸馏逆转了这种噪音，它恢复了纠缠并通过被称为受控非(CNOT)门的量子逻辑操作协议赋予了这对光子新的生命。传统意义上，这个协议非常浪费，每个蒸馏步骤都会牺牲一对好的光子，更糟糕的是，没有万无一失的方法能保持操作会成功。

IQOQI的研究人员找到了更好的方法。IQOQI博士生、发表在《物理评论快报》上的论文第一作者Sebastian Ecker解释说：“您不仅可以在两个光子之间执行这些受控非门，还可以在相同光子的两个属性间执行这些控制。”

利用自由度

光子具有许多独特的量子特性，例如它们的偏振态、能级和空间模式。总的来说，物理学家将这些特性称为“自由度”，并且所有这些特性都被独立用于证明纠缠。然而，IQOQI的研究是第一个证明具有不同自由度的纠缠蒸馏实验。

在他们的实验中，研究人员使用非线性晶体生成纠缠光子对，然后将光子对中的每个光子发送到不同的光学平台。每张桌子都有一个迷宫般的光学设备，它们执行纠缠蒸馏步骤并解释结果。这个迷宫的核心是一个不起眼的被称为偏振分束器的光学设备。

这个小玻璃立方体会改变光子的状态，只有在光子的能量-时间域满足某些条件时才会改变光子偏振的量子态。该动作准确的描述了CNOT逻辑门，它是量子计算的基本逻辑构建块之一。蒸馏过程完成后，研究人员会测量光子对的特性并确定恢复了多少纠缠。

研究人员还通过故意向环境中插入噪音来验证他们的蒸馏过程是鲁棒的。因为这种噪声得到了非常仔细的控制，他们可以量化他们的新程序在嘈杂环境中的工作情况。实验表明，他们的纠缠蒸馏方法比传统的两对方法快了一亿倍。Ecker说：“根据我们的经验，这些自由度足够强大，可以在通过长光纤或自由空间链接后恢复纠缠。”

一个完美纠缠的世界

由于极化和能量时间都经常用于量子通信的其他方面，研究人员相信他们的方案很快就会找到许多其他应用。在考虑这种方法如何改进之前提取的量子密钥之后，他们的眼光现在更高了。“如果你能使用高维纠缠让你的量子比特纠缠无声，那不是很好吗？这真的很酷！”Ecker说道。（编译:Qtech）