人工智能促使科学家尝试更简单的量子纠缠方法

内幕简报

• 该团队的新方法避免从预纠缠对开始或执行贝尔态测量，而是依赖于光子路径的不可区分性。
• 一款名为 PyTheus 的人工智能工具最初的任务是重现已建立的纠缠交换协议，却意外地揭示了一种更简单的纠缠独立光子的方法。
• 这一发现降低了量子网络的复杂性，并挑战了长期以来关于产生远距离纠缠所需条件的假设。

新闻稿 — 物理学家发现了一种更简单的方法，可以在两个遥远的光子之间产生量子纠缠 — 无需从纠缠开始，无需诉诸贝尔态测量，甚至无需检测所有辅助光子 — 这是一项长期挑战的进步- 量子网络中的假设。

所需要的只是人工智能工具的友好推动。

由南京大学和马克斯普朗克光科学研究所的研究人员领导的国际科学家团队在物理评论快报– 本文可通过以下方式访问arXiv– 证明纠缠可以仅从光子路径的不可区分性中产生。他们的技术不是依赖于从准备好的纠缠对和复杂的联合测量开始的标准程序，而是利用了基本的量子原理：当多个光子可能来自多个可能的来源时，擦除其起源的线索可能会产生以前不存在的纠缠。

有趣的是，也许更重要的是，这种意想不到的进步源于使用一种名为“皮修斯最初依靠重新发现量子通信中的一种主力协议（称为纠缠交换）。相反，该算法发现了一些更简单的东西。根据马里奥·克伦，该研究组组长 人工科学家实验室于 马克斯·普朗克光科学研究所，人工智能提供的解决方案一开始似乎过于简单。

“我们在将 PyTheus 应用于量子协议时偶然发现了这个想法，”Krenn写在X上。– 作为第一项任务，我们的目标是重新发现纠缠交换，这是量子网络中最关键的协议之一。奇怪的是，算法不断产生其他东西——一些更简单的东西——我们最初认为这是不正确的。

根据该论文，纠缠交换通常需要从两个独立的纠缠对开始，并对每对中的一个光子执行特殊的联合测量（称为贝尔态测量）。这使系统崩溃，使另外两个光子纠缠在一起，尽管它们从未直接相互作用。几十年来，它一直是量子网络设计的基石。但在他们的新工作中，克伦和他的同事们表明，在没有这一系列先决条件的情况下，还有其他方法可以实现类似的最终结果。

通过使光子产生的所有可能路径相同，该团队的方案纯粹通过起源的量子不确定性产生纠缠。克伦 (Krenn) 写道，这种更简单的方法消除了复杂性，已被忽视了 25 年多。该方法不是精心准备纠缠，然后使用贝尔态投影来分配纠缠，而是使用不同生成事件的叠加来产生相同的效果。这与几十年来关于“需要什么”才能产生远距离纠缠的传统观点形成鲜明对比。

“对我来说，这改变了我对创造纠缠的必要条件的看法，不是因为我现在知道什么是必要的，而是因为我们已经意识到什么不是必要的，”克伦在社交媒体点中写道。

实验上合理，哲学上有趣

根据 Krenn 的说法，PyTheus 算法的任务是重新推导已建立的协议，例如纠缠交换。相反，它继续提供需要更少开销的配置。在经典逻辑中，资源密集程度较低通常意味着较差。但在这里，这个令人惊讶的解决方案在实验上被证明是合理的，并且在哲学上也很有趣。新方法没有使用贝尔态测量等已建立的构建模块，而是利用无法区分的光子起源将遥远的粒子联系在一起。它甚至允许不需要检测所有辅助光子的场景，这表明未来量子网络的资源需求可能会降低。

在研究人员的实验中，不需要事先使用纠缠源或测量设备。通过调整光子源并确保它们的输出无法区分，他们创造了条件，在某些路径上检测光子可以保证另外两个光子（永远不会直接相互作用）出现纠缠。这种方法可以简化遥远地点之间量子链路的构建，并降低多节点量子网络的复杂性，使它们更具可扩展性并且可能更实用。

这样的发现可能会对量子通信和信息处理产生影响。量子网络旨在实现安全的消息传输和分布式量子计算，长期以来一直依赖于纠缠交换等成熟的方法。现在，新一代协议可能会出现，它们以更直接的方式依赖于基本量子原理。

可以肯定的是，与所有早期量子演示一样，将这种方法扩展到现实的网络长度和更多的光子仍然是一个挑战。环境噪音、损失和设备缺陷仍然很严重。但现在，一种以前未被认识的产生纠缠的机制已经被发现，量子工程师有了新的探索途径。

“人工智能发现的传统解决方案很复杂，需要很长时间才能理解正在发生的事情，”克伦在他的帖子中写道。– 在这种情况下，解决方案比我们预期的要简单得多。 –

这一发展强调，随着量子技术的进步，人工智能辅助发现可能能够与人类科学家合作，开辟以前无法想象的道路。正如 PyTheus 无意中透露纠缠交换并不是唯一的游戏一样，未来的工具可能会发现其他违背传统智慧的隐藏协议。通过抛弃几十年前的假设，这一结果促使研究人员重新考虑什么真正定义了纠缠的产生，以及在推动量子网络走向实用、大规模部署时可能发生的事情。

行业影响？

尽管论文中没有直接提及，但使用人工智能来识别更简单、更有效的产生量子纠缠的方法暗示着整个量子计算生态系统需要帮助。通过超越人类直觉和既定例程，PyTheus 等算法可以快速发现新协议，从而降低复杂性、减少资源开销并简化量子实验。

该方法本身还可以帮助工程师和研究人员更快地实现更具可扩展性的量子网络，不仅为安全通信的进步奠定基础，而且为量子传感器、模拟器以及最终实用量子计算机的更广泛创新奠定基础。

如需对该实验进行更技术性的了解，请查看以下论文：物理评论快报等等arXiv.

除了克伦之外，该研究的作者还包括王凯和侯兆华，他们还有同样贡献的还有钱凯一、陈雷震、朱世宁和马晓松，他们都来自固态国家实验室中国南京大学微结构物理学院和先进微结构协同创新中心。