量子糾纏是一種奇特的現(xiàn)象，其中兩個或多個粒子以一種內(nèi)在的方式相互關聯(lián)，無論它們之間相隔多遠，它們的命運都交織在一起。從量子計算機驚人的計算能力到量子通信網(wǎng)絡牢不可破的安全性，再到量子傳感器前所未有的靈敏度，糾纏都是支撐這些進步的基本資源。然而，這種微妙的關聯(lián)極易受到環(huán)境噪聲和缺陷的影響，導致一種稱為退相干的過程。退相干會降低糾纏的質(zhì)量，有效地削弱其效用，并對構建穩(wěn)健且可擴展的量子系統(tǒng)構成重大挑戰(zhàn)。為了應對這個問題，研究人員一直在探索各種保持甚至增強糾纏的技術，而最近引入的基于反宇稱時間（APT）對稱性的糾纏濾波器為這項關鍵任務提供了一種新穎且高效的方法。

發(fā)表在《科學》雜志上的論文“通過反宇稱時間對稱性選擇性過濾光子量子糾纏”介紹了一種開創(chuàng)性的方法，能夠以前所未有的精度分離和保留光子量子糾纏。這項由南加州大學（USC）的研究人員領導的突破性工作，引入了一種光學濾波器，該濾波器利用表現(xiàn)出APT對稱性的非厄米系統(tǒng)的獨特特性，選擇性地傳輸所需的糾纏態(tài)，同時有效地阻擋不需要的成分和噪聲。這一進展標志著與傳統(tǒng)糾纏過濾技術的重大偏離，并為操縱和控制編碼在光子中的量子信息開辟了新的途徑。

為了充分理解這項研究的重要性，理解相關的基本概念至關重要。量子糾纏描述了一種情況，其中兩個或多個粒子的量子態(tài)以內(nèi)在方式聯(lián)系在一起，這種相互關聯(lián)性構成了許多量子協(xié)議的基礎。然而，這些糾纏粒子與其周圍環(huán)境的相互作用會導致退相干。這種糾纏的損失是構建實用量子技術的主要障礙，因為它限制了量子操作的壽命和保真度。

在尋求減輕退相干影響的過程中，人們探索了各種糾纏過濾技術。一種常見的方法是使用輔助光子，其中引入并測量額外的光子以概率性地將系統(tǒng)投影到更糾纏的狀態(tài)。另一種策略利用里德堡原子介導的光子之間的強相互作用來選擇性地操縱和過濾糾纏態(tài)。雖然這些方法已經(jīng)顯示出希望，但它們通常受到概率性成功率、實現(xiàn)復雜性或?qū)α孔酉到y(tǒng)的特定要求等限制。

發(fā)表在《科學》雜志上的論文提出的方法通過利用非厄米系統(tǒng)，特別是反宇稱時間（APT）對稱性的有趣特性，提供了一種確定性且高效的替代方案。在傳統(tǒng)的量子力學中，物理系統(tǒng)由厄米哈密頓量描述，這確保了能量本征值是實數(shù)并且概率是守恒的。然而，非厄米哈密頓量（可能出現(xiàn)在具有增益或損耗的系統(tǒng)中）允許復數(shù)本征值，并且可以表現(xiàn)出一系列引人入勝的現(xiàn)象。宇稱時間（PT）對稱性是一種特殊的非厄米對稱性，由于其在存在平衡增益和損耗的情況下仍能表現(xiàn)出實數(shù)本征譜的能力，在光學和其他領域引起了廣泛關注。

反宇稱時間（APT）對稱性是一個相關但不同的概念，涉及宇稱和時間反轉(zhuǎn)操作的不同組合。在光學系統(tǒng)中，可以通過仔細設計光學增益和損耗的空間分布來實現(xiàn)APT對稱性。表現(xiàn)出APT對稱性的系統(tǒng)具有獨特的特性，包括在特定條件下表現(xiàn)出完全吸收或反射的能力。本研究的研究人員巧妙地利用了這些特性來設計糾纏濾波器。

他們的方法涉及創(chuàng)建一種雙態(tài)導波配置，這些波導充當光子的通道，并且通過引入特定的光學損耗模式在該網(wǎng)絡內(nèi)設計APT對稱性。關鍵的見解是，這種精心設計的損耗機制與波的干涉原理相結(jié)合，使得濾波器能夠選擇性地傳輸所需的糾纏光子態(tài)，同時有效地耗散不需要的成分和噪聲。該系統(tǒng)本質(zhì)上就像一個雕刻家，剔除掉缺陷，展現(xiàn)出純凈的糾纏態(tài)。

論文中提出的實驗結(jié)果令人信服。研究人員證明，他們的APT對稱糾纏濾波器在從各種輸入態(tài)（包括那些具有顯著噪聲和降低的初始糾纏的輸入態(tài)）中提取糾纏方面實現(xiàn)了接近百分之百的保真度。這種高保真度在單光子和雙光子激發(fā)下均被觀察到，突顯了濾波器的魯棒性。此外，在無損波導網(wǎng)絡上的實現(xiàn)展示了集成到緊湊且可擴展的量子光子電路中的潛力。濾波器在傳播過程中對退相干保持魯棒性進一步強調(diào)了其在量子技術中的實際效用。

這項工作對量子技術進步的意義深遠。以高效率和高保真度選擇性地過濾和保留量子糾纏的能力解決了開發(fā)穩(wěn)健量子系統(tǒng)的一個關鍵瓶頸。對于量子計算，該濾波器可用于純化用于量子比特的糾纏態(tài)，從而提高量子計算的準確性和持久性。在量子通信中，它可以提高用于安全密鑰分發(fā)的糾纏光子對的質(zhì)量，從而擴展量子網(wǎng)絡的范圍和可靠性。類似地，在量子傳感中，增強糾纏的能力可以帶來更靈敏和精確的測量設備。

基于APT的糾纏濾波器的關鍵優(yōu)勢之一是其可擴展性和片上集成的潛力。使用激光寫入的波導可以在小型芯片上創(chuàng)建復雜的光學電路，為緊湊且經(jīng)濟高效的量子器件鋪平道路。此外，該濾波器不依賴于奇異材料或有源組件，這使其可能更容易制造并與現(xiàn)有的光子平臺集成。