18、量子纠缠纯化与蒸馏：从理论到实践

量子纠缠纯化与蒸馏：从理论到实践

1. 引言

量子纠缠自 1935 年由 E. Schrödinger 首次讨论以来，一直是量子力学中令人困惑的独特特征。多年来，人们主要探讨了其与局域隐变量模型存在性的关系等基础问题。直到最近，纠缠的实际应用问题才逐渐浮现。

纠缠不仅是量子力学的奇特特性，更是一种宝贵的资源。在量子通信和量子密码学领域，它得到了初步应用。例如，双向最大纠缠纯态可用于量子隐形传态和建立通信双方的密钥，实现可证明的安全通信，在现代通信技术中具有广泛的应用前景。此外，纠缠在量子计算和量子模拟等其他量子信息处理领域也起着关键作用，为这些过程的实现提供了新途径，如基于隐形传态的量子门和单向量子计算机。

随着理论的发展，实验也取得了显著进展，量子通信和计算的许多基本构建模块已得到验证。市场上已经出现了用于短距离通信的商用量子密码系统，被视为新兴量子技术的先驱。量子中继器原则上也可实现任意距离的量子通信。

然而，量子信息处理中纠缠的大多数应用都依赖于某种意义上的最大纠缠纯态。但在实验室中，纯纠缠态并不容易获得。实际系统中，系统自由度与环境的不可控自由度相互作用，不可避免地导致退相干，产生混合态，其保真度低于 1。纠缠纯化可以克服这一限制，从多个纠缠态的噪声副本中产生少量高保真度的副本。本文将纠缠蒸馏定义为对一组态进行操作，以提取出（数量减少的）最大纠缠态。纠缠蒸馏以纠缠纯化为基础，增加对态集合的信息，从而实现这一目标。

纠缠纯化最初是在量子通信中提出的，用于克服通过噪声量子通道传输最大纠缠态（部分）时引入的噪声。如今，其应用已不仅局限于量子通信，还成为量子信息处理的基本工具。例如，使用基于隐形传态的门而非基于直接双粒子相互作用的传统门，通