透過本地操作和經典通訊進行催化轉化。資料來源:華沙大學量子光學技術中心
華沙大學(University of Warsaw)的量子物理學家發現了量子催化(工業中化學催化的量子當量)的新應用，揭示了量子催化劑在更多的裝置中比以前知道的有用。這一突破可能在未來的量子金鑰分發網路或分散式量子計算中起到關鍵作用。
波蘭華沙大學量子光學技術中心的一組量子物理學家找到了一個完整的解決方案，解決了從一個初始量子態到另一個理想量子態的催化轉換是否可行的難題。他們的研究結果發表在2021年10月5日的《物理評論快報》上，證明了催化劑在促進量子過程中的效用，並量化了用於量子資訊處理的糾纏量。這一突破尤其適用於涉及兩個或更多遙遠實驗室的量子技術;例如，量子金鑰分發網路或分散式量子計算。
糾纏是量子力學的一個關鍵特徵，事實上，大多數量子技術正在發展。在其最簡單的形式中，它以相互關聯的形式出現在兩個遙遠的當事人之間，比如愛麗絲和鮑勃。一個給定的量子系統的糾纏程度是由它的糾纏熵給出的，這提供了關於Alice和Bob之間的量子通訊效率的資訊。
在這項工作之前，糾纏熵只有在雙方交換許多訊號時才有意義，正如亞歷山大·斯特雷佐夫(Alexander Streltsov)，與圖爾賈·瓦倫·康德拉(Tulja Varun Kondra)和昌丹·達塔(Chandan Datta)一起撰寫這篇論文的合著者，解釋道:“如果你只拋一次硬幣，那麼即使你知道硬幣是公平的，你也不會知道任何關於翻轉的結果——熵只是漸進地有意義，”他說。“與糾纏熵類似，如果愛麗絲和鮑勃只共享一個量子態的例項，熵就沒有多大意義。”
為了克服這一問題，國際團隊在理論上引入了一種糾纏催化劑。
與工業中用於提高化學反應速率而不消耗自身的催化劑一樣，糾纏型催化劑是一種量子系統，不會因所考慮的過程而改變，但會影響過程，使沒有它們就不可能發生轉變。早在1999年就提出了糾纏型催化劑誘導轉變的具體例子，但以前並不知道透過新增催化劑可以實現哪些其他量子態。
Streltsov和合作者從理論上證明，在合適的催化劑存在的情況下，即使只有單個的純量子態存在，糾纏熵也具有物理意義，事實上，在這種情況下，糾纏熵完全表徵了轉換。從這裡，研究人員展示瞭如何預測哪些轉變是可能的或不可能的。Streltsov證實:“我們已經找到了一個解決催化轉變是否可能的完整解決方案。”
這一新知識有許多實際的未來應用。例如，在量子密碼學中，如果Alice和Bob想要建立安全的通訊，他們可以共享所謂的單線態。單線態是兩個量子位(量子位)的最佳量子態。如果Alice持有其中一個量子位，Bob持有另一個量子位，那麼透過執行某種協議，它們可以提取出一個完全安全的金鑰。Streltsov和同事的工作提供了一種方法，可以知道哪些量子態可以轉化為單線態，然後由Alice和Bob使用。
Streltsov和他的同事已經將他們的方法應用於比將一個量子態轉化為另一個量子態更復雜的量子資訊任務中，揭示了催化劑如何提高量子態合併的效率，這是一種利用糾纏和經典通訊來最佳地傳送資訊的方式。除其他用途外，該結果可用於顯示糾纏催化劑如何使噪聲態在量子密碼學中有用。Streltsov說:“如果在這個國家有很多噪音，那麼最終標準的量子密碼協議將不會給你一個好的結果。”但是，如果透過在每一端(比如有噪聲的光纖)新增糾纏催化劑來增強該過程，則可以在不破壞過程的情況下交換量子位元。Streltsov補充說:“即使光纖噪聲很大，原則上我們也可以獲得非常好的效率。”
