华沙大学的量子物理学家发现了量子催化剂的新应用，这工业中使用的化学催化剂的量子等价物，他们揭示了量子催化剂在比以前已知的许多配置中有作用。这一突破可能在未来的量子密钥分发网络或分布式量子计算中发挥关键作用。

来自波兰华沙大学量子光学技术中心的一组量子物理学家找到了一个完整的解决方案，它解决了从一个初始量子态到另一个所需量子态的催化转化是否可能这一棘手的问题。

他们的研究结果证明了催化剂在促进量子过程方面有效用，并量化了可用于量子信息处理的纠缠量。这一突破尤其适用于涉及两个或两个以上远程实验室的任意量子技术，例如量子密钥分发网络或分布式量子计算。

纠缠是量子力学的一个关键特征，事实上大多数的量子技术都还在开发中。在最简单的形式中，它发生在两个遥远的当事人之间(例如Alice和Bob)。给定量子系统的纠缠程度由其纠缠熵给出，这提供了有关Alice和Bob之间量子通信效率如何的信息。

在这项工作之前，纠缠熵只有在两方交换了许多信号时才有意义，共同撰写该论文的Alexander Streltsov解释说：“如果你只掷一次硬币，那么即使你知道这枚硬币是公平的，但你也不会知道任何关于掷硬币结果的事情。熵只是渐进地有意义……与纠缠熵类似，如果Alice和Bob只共享了一个量子态实例，那熵就没有多大意义。”

为了克服这个问题，研究人员从理论上在混合物中引入了一种纠缠催化剂。就像工业中用于提高化学反应速率而不会在过程中被消耗的催化剂一样，纠缠催化剂是量子系统，它不会被所考虑的过程改变，但它会影响过程以允许没有它们就不可能发生的转变。科学家早在1999年就提出了纠缠催化剂诱导转变的具体例子，但之前并不知道通过添加催化剂可以实现哪些其他的量子态。

Streltsov和合作者从理论上证明，在有合适的催化剂存在的情况下，即使只有一个纯量子态的实例可用，纠缠熵也具有物理意义，实际上纠缠熵完全表征了这种情况下的转换。由此，研究人员演示了如何预测哪些转换确实可能或不可能。Streltsov证实：“我们已经找到了一个完整的解决方案来解决催化转变是否可能的问题。”

这种新知识有许多实际的未来应用。例如，在量子密码学中，如果Alice和Bob想要建立安全通信，他们可以共享所谓的单线态(singlet)。单线态是两个量子比特的最佳量子态。如果Alice持有其中一个量子比特，而Bob持有另一个，那么通过执行某种协议，他们可以提取出一个完全安全的密钥。Streltsov及其同事的工作提供了一种方法来了解哪些量子态可以转换为单线态，然后被Alice和Bob使用。

Streltsov及其同事已将他们的方法应用于更复杂的量子信息任务，而不是将一种量子态转换为另一种量子态，他们还揭示了催化剂如何提高量子态合并的效率，这是一种使用纠缠和经典通信来优化发送信息的方式。在其他用途​​中，结果适合用来显示纠缠催化剂如何使噪声状态在量子密码学中有用。

Streltsov说：“如果状态中有很多噪音，那么最终标准的量子密码协议不会给你一个好的结果。但是如果通过添加缠结催化剂来增强该过程，比如在嘈杂的光纤的每一端都添加这种催化剂，那么可以在不破坏过程的情况下交换量子比特。即使光纤非常嘈杂，原则上我们也可以达到非常好的效率。”（编译:Qtech）