科学家找到在非正交状态下提取量子信息的最佳方法

www.physorg.com网站2006年11月21日报道，当进入量子信息处理和密码系统时，原则上可以完整地取回编入正交量子态中的密码信息，尽管在实际操作中还存在很大难度。然而，当进入非正交量子态时，为了提取数据，需要对正交和非正交量子态进行必要的甄别，但这几乎是一项不可能完成的任务。

苏格兰斯特拉思克莱德和格拉斯哥大学的莎拉·克洛克是这样解释非正交量子态的不同性质的：“这并不是因为测量工作在实验上存在难度，而是因为物理法则实际上禁止进行这种完美的甄别。自从人们开始思考利用量子态来存储和处理信息以来，找到甄别不同量子态的最佳方法就变得很重要，因为从某种意义上说，这是取回量子系统中携带的密码信息所必需的。而要想做到这一点，就必需要设法测量量子系统的状态。”克洛克指出，在非正交状态下，一些误差总是让人感到棘手。她说，要解决这一问题，就应该把选择错误量子态的概率减到最小，这样就可以提高选择正确量子态的概率，因为只有正确的量子态才载有我们想要的量子信息。克洛克通过电话告诉PhysOrg.com网站：“我们已经为进行更复杂的测量工作设计出一套网络，它可以提高我们掌握系统真实量子态的概率。”“当测量结果让我们识别出某种状态时，由于有了这套网络，系统真正处于这种状态的概率被最大化。”

牛津大学的彼得·莫斯利和伊恩·莫斯利以及斯特拉思克莱德大学的斯蒂芬·巴内特是克洛克的合作人，他们通过理想最小误差测量法，率先在实验中实现了线性相关状态下的量子态高概率性甄别，明显提高了甄别的准确率。他们的实验结果已刊登在《物理评论快报》上，文章的标题是：“量子态甄别实验量大限度地提高了提取量子信息的信心”。实事上，在实验的结果出来以前，他们在线性相关状态研究方面表现出的信心一直被人置疑，尽管他们已经为线性不相关状态研究展示了这种信心。克洛克解释称，“我们在实验中使用了3种量子态。我们用的是一套最简单的线性相关装置，而实验有可能出现4种结果。我们展示出怎样才能最大限度地提高获得正确答案的概率。正确的答案可以让你有信心认定你所发现的那种量子态正是载有目标信息的量子态。”克洛克说，实验出现的第4种结果是非决定性的，根本没有提供任何信息。然而，她强调称，“如果获得了其它三种结果中的任何一个，我们就有信心认为测量到的这种量子态正是进入光学网络的量子态。”按克洛克的解释，通过安全通道发送量子信息主要是为了对信息进行加密，这些信息都在特定的量子状中传送。她通过电子邮件向我们举了一个例子，在这个例子中，她把量子信息发送机（即量子密码系统）称作艾丽丝，把信息接收机称作鲍勃。艾丽丝将把信息加密并发送给鲍勃：“发送哪些量子态以及每种量子态应携带哪种信息，艾丽丝和鲍勃事先已经达成一致。之后，艾丽丝开始在事先商定的那种量子态中把信息加密并编成一套量子系统。当鲍勃接收到这套系统时，他需要做的工作是判定该系统位于哪一种量子态中，以便把艾丽丝发来的信息解密。如果鲍勃在收到量子态时不知道该量子态的类型，就需要通过测量来查明他收到的哪一种量子态。“

非正交量子态是密码系统的首选，因为它将使盗密者无法完整地解开信息的密码。此外，它还有可能察觉到潜在的盗密者，因为任何测量企图都会扰乱量子系统。因此，在原则上，当有第三方入侵时，入侵者不仅根本无法解开信息的密码，还会被量子信息发送机和接收机察觉。克活克在电子邮件中写道：“能通过量子密码系统里的安全通道来发送信息并没什么了不起，直正了不起的是这种通道是相当安全的，因为它是一个量子通道。”当结果所带来的信任度比是否能够得到某种结果更加重要时，克活克和她的同事所展示的这种方法就有了用武之地。克洛克说，“用其它方法，你总会得到一种结果，但它可能是一个错误的结果。我们的试验表明，你不会总是得到一种结果，但一旦你得到了一种结果，你就有最大的信心认定那是一个正确的结果。”根据牛津大学的试验结论，他们得到正确结果的概率达2/3。

这支来自英国的研究小组在他们的试验中使用了光偏振技术和带有线性光学元件的两级系统来创造和操纵量子态。他们的试验显示，在试图甄别一套量子态中的某种量子态时，可以实现最佳理想信任度。而且，克洛克还指出，这条信息不仅对密码系统而言是很重要，对量子信息处理也是很重要。她强调称，“毕竟，你需要进行某种测量，你也需要能够提取计算出来的信息。”

　　虽然克洛克认为本文介绍的这种方法有助于量子信息处理，但她承认并不能确定该方法是否可以实行。她说，“我们不能确定它将怎样工作。日前有几种可用于量子信息处理的结构体系正在开发之中。其中一种结构体系是线性光学，它使用光子做为信息载体。我们的文章中介绍的这种测量方法可以很容易地应用到这些系统中。”克洛克补充称：“与其它体系，比如离子阱、冷原子和核磁共振相比，线性光学使用的是相干量子态，使用这种测量法来甄别相干量子态可能没那么容易。我们一直在与从事量子信息处理研究的科学家们进行交流，以便找到他们所想到甄别的量子态，而且我们正在考虑是否有可能为这些体系实施最佳理想信任度战略。