眾所周知，量子粒子是奇異的，甚至是“詭異的”。但是這些特性有用嗎？一項新的研究證明，一種怪異特性——相同粒子之間的糾纏——具有實際價值。
通常，兩個物體永遠不會完全相同。它們看起來相同只是因為科學家使用不完善的儀器來區分它們。然而，在量子物理學中，真正的不可區分性是可能的。例如，雖然兩個可區分的電子可能看起來相同，但通常可以透過測量它們各自的自旋來區分它們。對於相同的量子粒子，既沒有可以測量的類似量，也沒有更完善的測量裝置可以辨別它們之間的其他差異。
量子粒子也可以糾纏。這種連線非常強大，以至於如果不參考另一個粒子，就無法描述其中一個糾纏粒子的任何資訊。阿爾伯特·愛因斯坦曾將量子糾纏稱為“幽靈般的超距作用”，因為它以某種方式允許粒子始終“保持聯絡”，無論研究人員將它們放置在多遠的地方。到目前為止，將量子力學特有的這兩個特性——真正的不可區分性和糾纏——結合起來，只會導致物理學家之間的困惑。
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現在，研究人員已經用數學方法量化了完全不可區分的糾纏粒子的實用價值。他們於 8 月份被《物理評論 X》接受發表的預印本研究表明，相同粒子糾纏可能是改進當今量子資訊處理最佳方案的秘訣。這一發現可能對開發更好的材料、計算機和電信系統至關重要。
真實還是虛構？
“關於相同粒子糾纏的本質一直存在討論，”英國諾丁漢大學的物理學家、該研究的共同主要作者本傑明·莫里斯說。事實上，一些物理學家認為，這種糾纏只不過是數學上的怪癖。莫里斯解釋說，根據量子力學規則，完全相同的粒子只能構成非常特定的狀態。這些狀態具有與描述可以透過某種測量區分開的糾纏粒子的狀態等效的數學形式。但與這種可區分的粒子不同，真正相同的粒子被分配的標籤並不反映它們之間任何物理差異。“你可以說這些標籤沒有意義，”莫里斯承認。
西班牙光子科學研究所的物理學家馬切伊·萊文施泰因（未參與這項研究）用一個極端的例子來說明了這一點：一個由兩個相同的量子粒子組成的系統——一個在你的體內，另一個在月球上。它們共享狀態的數學描述表明它們是糾纏的。這個結果是自動的——本質上是由於量子不可區分性規則而“免費”給出的，而不是由研究人員執行的某些糾纏協議產生的。但是粒子之間隱含的聯絡沒有明顯的實際價值。更常見的情況是，物理學家會取出他們知道可以區分的兩個粒子，並有目的地使這對粒子糾纏。只有這樣，科學家才會將一個粒子帶到月球，讓愛因斯坦的詭異性保證對地球上另一個粒子進行某些物理特性的測量，將立即揭示其月球夥伴的相同測量值。但是對一個糾纏的相同粒子進行測量並不會揭示關於另一個粒子的任何物理新資訊——畢竟，這兩個粒子是不可區分的，無論是在月球上還是在任何其他地方。
儘管如此，實驗物理學家已經注意到，在某些實驗中，這種粒子的系統可以產生比未糾纏的對應物更好的結果，諾丁漢大學的數學物理學家、這篇新論文的合著者傑拉爾多·阿德索指出。“似乎這種特性至少是有用的，”他說。例如，使用相同的糾纏粒子可以提高量子計量學的準確性，量子計量學是精確測量的量子科學。在這項研究中，阿德索、莫里斯及其合作者確定，這種改進是明確地由於糾纏的相同粒子而不是量子力學的其他一些特性造成的。莫里斯提供了一個類比：“假設你烤了一個麵包，你想知道‘是什麼讓麵包膨脹起來的？’”他說。“我們表明，粒子糾纏是‘酵母’。”該團隊的結果是迄今為止最強有力的證據，證明相同粒子糾纏是物理現實的一個特徵，而不僅僅是一個數學上的怪癖。
量子測試廚房
研究人員的研究依賴於量子資源理論。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的量子資訊研究員埃裡克·奇坦巴爾（未參與該論文）說，這個想法涉及選擇系統的某些特定量子特性——例如相同粒子糾纏——然後測量該特性在某些任務中增強系統性能的程度。因此，該團隊首先確定了一組表現出相同粒子糾纏的狀態（在莫里斯的比喻中，包含“酵母”的狀態）和一組用於操縱它們的操作（“麵包製作”中涉及的動作）。奇坦巴爾指出，一個重要的約束是，禁止任何產生額外相同粒子糾纏的操作。在麵包類比中，研究人員避免了類似於新增泡打粉的操作，以便他們能夠清楚地說明酵母已經存在於麵糰中的重要性。透過計算出多少酵母產生系統中一定量的“膨脹”，他們能夠量化相同粒子糾纏的影響。在最後一步中，他們透過將麵包製作分析應用於先前進行的依賴相同粒子的調查結果來檢查其有效性，發現他們的理論與實際實驗之間具有良好的一致性。
該團隊還證明，具有糾纏相同粒子的系統可以被誘導成具有其他形式的糾纏，這些糾纏已經在量子計算中得到廣泛應用。總部位於新加坡的地平線量子計算公司的物理學家傑恩·湯普森（未參與這項研究）透過將相同粒子糾纏比作“一種有效的貨幣”來解釋這一發現，這種貨幣可以兌換成其他操作上有用的物理特性。與任何貨幣兌換一樣，精確的匯率非常重要。阿德索提供了一個例子：“人們用來量化計量學應用優勢的品質因數實際上可以解釋為[相同]粒子糾纏量的度量，”他說。由於阿德索及其合作者能夠產生相同粒子糾纏有用性的具體衡量標準，他們樂觀地認為，他們的方法可以用於更嚴格地量化無數量子資訊處理系統的不同效能——這是打擊這個快速擴張領域中炒作的重要發展。
相同的量子粒子遠非僅僅是古怪數學的產物，而是被證明是量子技術未來真正有價值的資產。“我們希望這篇論文的影響是讓[物理學]界更普遍地重新評估相同粒子在量子力學中的價值，”阿德索說。