99% 保真度：南加州大学科学家创建首个量子滤波器以保留纠缠

这项基于新物理学的新技术提供了对量子信息强大、可扩展的控制，为更可靠的量子计算铺平了道路。

南加州大学维特比分校谢明电气与计算机工程系和高级计算学院的研究人员取得了一项重大突破，该突破可能会加速量子技术的进步，他们开发出了第一个能够隔离和保存量子纠缠的光学滤波器，量子纠缠是量子计算、通信和传感的关键现象。这项发表在《科学》杂志上的研究为紧凑、高性能纠缠系统铺平了道路，该系统可以集成到量子光子电路中，从而提高量子计算架构和通信网络的可靠性。

量子纠缠的解释

量子纠缠是两个或多个粒子连接在一起的过程，其中一个粒子的行为会立即影响另一个粒子的行为——即使它们相距甚远。正是这种看不见的线索让量子计算机能够进行大规模并行计算，量子网络能够安全地传输信息，传感器能够达到远超传统系统的灵敏度水平。纠缠是量子物理学的核心——一种将粒子结合在一起的神秘束缚，创造出一种违背传统直觉的不可思议的联系。纠缠曾被认为是一种“幽灵般的远距离行为”，但现在被认为是一种重要资源——为量子技术提供动力。

但纠缠十分脆弱。即使是极小的噪音或错误也会破坏这些脆弱的量子联系，使得在现实世界系统中控制纠缠变得十分困难。

为了克服这个问题，南加州大学领导的团队发明了一种新型光学滤波器——一种激光书写玻璃光通道的排列，称为波导，它就像雕刻家一样，凿去所有不必要的东西，露出下面纯净的纠缠态。无论入射光的质量如何或混杂程度如何，该设备都会去除不需要的成分，只留下必要的量子关联。

这个过滤器不仅能保留纠缠，还能从嘈杂的混合量子态中提炼出纠缠，它保留了量子核心的完整性，同时舍弃了其他一切。”

反宇称时间对称性及其作用

这项研究的核心突破来自理论物理学中一个令人惊讶的想法，即反宇称时间 (APT) 对称性，这一概念最近才开始引起光学界的关注。大多数传统光学系统的设计都是为了避免损耗和保持对称性，这意味着光以可预测的、平衡的方式流动。但 APT 对称系统采用了一种非常不同的方法：它们接受损耗，但不是随机的，而是以精确和精心控制的方式。通过将这种工程耗散与干涉能力相结合，这些系统提供了一种独特且违反直觉的方式来控制光的行为。这种非常规控制为以以前被认为不可能的方式操纵光开辟了令人兴奋的可能性。

通过将这种对称性嵌入到专门设计的光波导网络中，研究团队创建了一种可以自然过滤噪音并引导系统走向稳定纠缠态的结构，就像球滚进山谷的最低点一样。

资深作者、南加州大学电气工程与物理学教授 Mercedeh Khajavikhan 称这项研究表明，非厄米物理学和开放量子系统（曾被认为是数学上的奇观）可以在量子领域提供强大的工具。他们的滤波器可扩展、芯片兼容，并且不需要特殊材料或有源元件。

使用南加州大学实验室生成的单光子和纠缠光子对对滤波器进行了实验测试。通过 APT 对称纠缠滤波器后，使用量子断层扫描技术重建输出状态，证实滤波器能够以高于 99% 的保真度恢复所需的纠缠状态。