斯图加特大学的研究人员已经证明，许多量子计算和通信方案的关键要素可以以超过通常假设的理论上限的效率来执行，从而为各种光子量子技术开辟了新的前景。

量子科学不仅彻底改变了我们对自然的理解，而且还激发了突破性的新计算、通信和传感器设备。在此类“量子技术”中利用量子效应通常需要结合对底层量子物理原理的深入洞察、系统方法论的进步和巧妙的工程设计。斯图加特大学 Stefanie Barz 教授团队和集成量子科学与技术中心 (IQST) 在最近的研究中正是通过这种结合，提高了重要建筑的效率许多量子设备的块超出了看似固有的极限。

从哲学到技术

量子技术领域的主角之一是一种被称为量子纠缠的特性。这一概念发展的第一步涉及阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间的激烈辩论。简而言之，他们的论点是如何在多个量子系统之间共享信息。重要的是，这可能以经典物理学中没有类似的方式发生。爱因斯坦和玻尔开始的讨论在很大程度上仍然是哲学性的，直到 20 世纪 60 年代，物理学家约翰·斯图尔特·贝尔 (John Stewart Bell) 设计了一种通过实验解决分歧的方法。贝尔的框架首先是在光子(光的量子)实验中探索的。该领域的三位先驱——Alain Aspect、

贝尔本人于 1990 年去世，但他的名字却永垂不朽，尤其是在所谓的贝尔州。这些描述了尽可能强烈纠缠的两个粒子的量子态。总共有四种贝尔态，贝尔态测量(确定量子系统处于四种状态中的哪一种)是将量子纠缠投入实际应用的重要工具。也许最著名的是，贝尔态测量是量子耳机传态的核心组成部分，这反过来又使大多数量子通信和量子计算成为可能。

但存在一个问题：当使用传统光学元件(例如镜子、分束器和波片)进行实验时，四个贝尔态中的两个具有相同的实验特征，因此彼此无法区分。这意味着，如果仅使用这种“线性”光学元件，总体成功概率(以及量子耳机传态实验的成功率)本质上会限制在 50%。或者是吗?

伴随着所有的花里胡哨

这就是 Barz 小组的工作切入点。正如他们最近在《科学进展》杂志上报道的那样，博士研究员 Matthias Bayerbach 和 Simone D'Aurelio 进行了贝尔态测量，成功率达到 57.9%。但他们是如何达到现有工具无法达到的效率的呢?

他们的出色结果是通过使用两个额外的光子与纠缠光子对串联而实现的。理论上我们知道，这种“辅助”光子提供了一种执行贝尔态测量的方法，效率超过 50%。然而，实验实现仍然难以实现。原因之一是需要复杂的探测器来解析撞击其上的光子数量。Bayerbach 和 D'Aurelio 通过使用 48 个近乎完美同步运行的单光子探测器来探测到达探测器阵列的多达 4 个光子的精确状态，从而克服了这一挑战。凭借这种能力，该团队能够检测到每个贝尔态的不同光子数分布——尽管这两个最初无法区分的态有一些重叠，这就是为什么即使在理论上效率也不能超过 62.5%。但 50% 的障碍已经被打破。此外，原则上，成功的概率可以任意接近 100%，但代价是必须添加更多数量的辅助光子。

前景光明

此外，最复杂的实验也存在缺陷，在分析数据和预测该技术如何适用于更大的系统时，必须考虑到这一现实。因此，斯图加特的研究人员与美因茨约翰内斯古腾堡大学的理论家、辅助贝尔态测量方案的设计者之一 Peter van Loock 教授合作。Van Loock 和 Barz 都是 BMBF 资助的PhotonQ 合作组织的成员，该合作组织汇集了来自德国各地的学术和工业合作伙伴，致力于实现特定类型的光子量子计算机。改进后的贝尔态测量方案现在是这一合作努力的首批成果之一。

尽管效率从 50% 提高到 57.9% 似乎不大，但在需要进行大量连续测量的场景(例如长距离量子通信)中，它提供了巨大的优势。对于这种升级，线性光学平台与其他方法相比必须具有相对较低的仪器复杂性。