奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）研究团队在一个包含线性离子阵列的实验中，追踪了系统随时间发展而产生的纠缠演化。图片来源：IQOQI / Harald Ritsch。

奥地利的物理学家们使用20个被捕获的钙离子的系统证明了他们所描述的单独可控的纠缠量子比特的寄存器。该团队能够在20个离子集合中编码一个复杂的初始状态，并在系统演化的各个阶段证明这些单个量子位之间的纠缠。此外，通过使用工作中开发的解析和数值“纠缠目击者”，研究小组发现它不仅能够检测相邻离子对之间的纠缠，而且还能够检测相邻的三、四，甚至五个离子组之间的“真正的多部分纠缠”。

根据奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）共同负责人Ben Lanyon的研究结果，表明基于离子的量子模拟器能够提供一个不可测量的量子行为的窗口。“我们目前非常有信心在这些模拟器中访问复杂的量子态。”

单粒子控制

量子模拟器使用原子、离子或其他量子比特系统来模拟超出经典计算算法能力的量子行为。研究人员在过去的一年中取得了长足的进步，有几个研究团队成功地开发了包含50个或更多量子比特的模拟器。但Lanyon表示，这些具有更大量子集合的实验尚未证明系统中每个单个粒子的控制水平以及IQOQI实验中显示的粒子纠缠的水平。

为了实现这种控制水平，IQOQI团队采用射频保罗陷阱以线性阵列形式设置了20个钙离子寄存器。接下来，研究人员使用激光场来翻转量子比特，为系统设置特定的初始哈密顿量或能量状态。之后他们在不同的时间步骤中淬灭系统，并通过单离子分辨CCD相机使用量子态依赖的共振荧光成像来测量每个量子位的状态。

在实验中，奥地利研究人员捕获了保罗陷阱中的20个离子阵列（a），使用激光场初始化离子（b和c），允许系统及时演化到未知的量子态（d），并且然后熄灭进化并使用共振荧光成像读出每个量子位的量子态（e和f）。图片来源：N. Friis等。

从三联体到五联体

IQOQI团队接下来开始测量量子比特之间的纠缠程度。因此，研究人员专注于重建线性阵列中所有相邻3量子位群的密度矩阵所需的基础集，这是一个更容易处理的问题。利用这些密度矩阵他们能够确定随着系统演变，所有相邻的线性阵列对将纠缠地更快。但是，在多量子比特之间多分量纠缠又如何呢？为了评估这一点，Lanyon和联合研究员Rainer Blatt向IQOQI维也纳分部的Marcus Huber团队以及德国乌尔姆大学的Martin Plenio研究小组求助。

理论小组设计了两个互补的“纠缠目击者”，可以用来建立更高级的纠缠。Huber的小组提供了一个相对简单的分析方法，它可以有效地从IQOQI团队已经建立的两个量子可观测量中推断纠缠三联体。为了检测四个和五个量子比特集合之间的多方纠缠，Plenio的团队提供了计算强度强大的“强力”数值搜索技术。将所有的技术综合在一起，IQOQI团队能够确定线性系统中相邻的粒子对快速纠缠在一起，并且随着系统及时发展，量子相关性建立在三联体、大多数四联体和一些五联体之间。

认识真正的量子行为

为五个以上的量子比特组建立的多方纠缠超出了研究团队可以承担的计算能力，。但是Lanyon认为，即使这个五个量子位的限制可能是一个特征而不是一个错误，因为它强调模拟器确实证明了超出经典算法范围的量子行为。

Lanyon表示：“我们对这些受控量子模拟器感兴趣的是认识到了量子动力学，这是我们无法用传统方法做到的。所以我们很高兴我们的模拟器超越了现在可以用现有方法跟踪它的地步。”他认为，随着模拟器系统变得越来越大，重要的是有方法来验证模拟器“表现出我们认为的样子”；验证低阶纠缠是“在实验室得到我们正在做正确事情的反馈”的一种方式。

与此同时，Lanyon指出，尽管这些技术并不能按照纠缠的顺序进行扩展，但它们在系统规模上可以有效扩展。这为包含数百乃至数千个粒子的实际模拟器指明了道路。单独控制量子比特互动的能力意味着该系统“有能力进行通用量子模拟和量子计算”。

来源： https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2018/april/tracking_entanglement_in_a_quantum_simulator/

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