众所周知，量子粒子是奇异的，甚至是“诡异的”。但是这些特性有用吗？一项新的研究证明，一种怪异特性——相同粒子之间的纠缠——具有实际价值。
通常，两个物体永远不会完全相同。它们看起来相同只是因为科学家使用不完善的仪器来区分它们。然而，在量子物理学中，真正的不可区分性是可能的。例如，虽然两个可区分的电子可能看起来相同，但通常可以通过测量它们各自的自旋来区分它们。对于相同的量子粒子，既没有可以测量的类似量，也没有更完善的测量设备可以辨别它们之间的其他差异。
量子粒子也可以纠缠。这种连接非常强大，以至于如果不参考另一个粒子，就无法描述其中一个纠缠粒子的任何信息。阿尔伯特·爱因斯坦曾将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”，因为它以某种方式允许粒子始终“保持联系”，无论研究人员将它们放置在多远的地方。到目前为止，将量子力学特有的这两个特性——真正的不可区分性和纠缠——结合起来，只会导致物理学家之间的困惑。
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现在，研究人员已经用数学方法量化了完全不可区分的纠缠粒子的实用价值。他们于 8 月份被《物理评论 X》接受发表的预印本研究表明，相同粒子纠缠可能是改进当今量子信息处理最佳方案的秘诀。这一发现可能对开发更好的材料、计算机和电信系统至关重要。
真实还是虚构？
“关于相同粒子纠缠的本质一直存在讨论，”英国诺丁汉大学的物理学家、该研究的共同主要作者本杰明·莫里斯说。事实上，一些物理学家认为，这种纠缠只不过是数学上的怪癖。莫里斯解释说，根据量子力学规则，完全相同的粒子只能构成非常特定的状态。这些状态具有与描述可以通过某种测量区分开的纠缠粒子的状态等效的数学形式。但与这种可区分的粒子不同，真正相同的粒子被分配的标签并不反映它们之间任何物理差异。“你可以说这些标签没有意义，”莫里斯承认。
西班牙光子科学研究所的物理学家马切伊·莱文施泰因（未参与这项研究）用一个极端的例子来说明了这一点：一个由两个相同的量子粒子组成的系统——一个在你的体内，另一个在月球上。它们共享状态的数学描述表明它们是纠缠的。这个结果是自动的——本质上是由于量子不可区分性规则而“免费”给出的，而不是由研究人员执行的某些纠缠协议产生的。但是粒子之间隐含的联系没有明显的实际价值。更常见的情况是，物理学家会取出他们知道可以区分的两个粒子，并有目的地使这对粒子纠缠。只有这样，科学家才会将一个粒子带到月球，让爱因斯坦的诡异性保证对地球上另一个粒子进行某些物理特性的测量，将立即揭示其月球伙伴的相同测量值。但是对一个纠缠的相同粒子进行测量并不会揭示关于另一个粒子的任何物理新信息——毕竟，这两个粒子是不可区分的，无论是在月球上还是在任何其他地方。
尽管如此，实验物理学家已经注意到，在某些实验中，这种粒子的系统可以产生比未纠缠的对应物更好的结果，诺丁汉大学的数学物理学家、这篇新论文的合著者杰拉尔多·阿德索指出。“似乎这种特性至少是有用的，”他说。例如，使用相同的纠缠粒子可以提高量子计量学的准确性，量子计量学是精确测量的量子科学。在这项研究中，阿德索、莫里斯及其合作者确定，这种改进是明确地由于纠缠的相同粒子而不是量子力学的其他一些特性造成的。莫里斯提供了一个类比：“假设你烤了一个面包，你想知道‘是什么让面包膨胀起来的？’”他说。“我们表明，粒子纠缠是‘酵母’。”该团队的结果是迄今为止最强有力的证据，证明相同粒子纠缠是物理现实的一个特征，而不仅仅是一个数学上的怪癖。
量子测试厨房
研究人员的研究依赖于量子资源理论。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的量子信息研究员埃里克·奇坦巴尔（未参与该论文）说，这个想法涉及选择系统的某些特定量子特性——例如相同粒子纠缠——然后测量该特性在某些任务中增强系统性能的程度。因此，该团队首先确定了一组表现出相同粒子纠缠的状态（在莫里斯的比喻中，包含“酵母”的状态）和一组用于操纵它们的操作（“面包制作”中涉及的动作）。奇坦巴尔指出，一个重要的约束是，禁止任何产生额外相同粒子纠缠的操作。在面包类比中，研究人员避免了类似于添加泡打粉的操作，以便他们能够清楚地说明酵母已经存在于面团中的重要性。通过计算出多少酵母产生系统中一定量的“膨胀”，他们能够量化相同粒子纠缠的影响。在最后一步中，他们通过将面包制作分析应用于先前进行的依赖相同粒子的调查结果来检查其有效性，发现他们的理论与实际实验之间具有良好的一致性。
该团队还证明，具有纠缠相同粒子的系统可以被诱导成具有其他形式的纠缠，这些纠缠已经在量子计算中得到广泛应用。总部位于新加坡的地平线量子计算公司的物理学家杰恩·汤普森（未参与这项研究）通过将相同粒子纠缠比作“一种有效的货币”来解释这一发现，这种货币可以兑换成其他操作上有用的物理特性。与任何货币兑换一样，精确的汇率非常重要。阿德索提供了一个例子：“人们用来量化计量学应用优势的品质因数实际上可以解释为[相同]粒子纠缠量的度量，”他说。由于阿德索及其合作者能够产生相同粒子纠缠有用性的具体衡量标准，他们乐观地认为，他们的方法可以用于更严格地量化无数量子信息处理系统的不同性能——这是打击这个快速扩张领域中炒作的重要发展。
相同的量子粒子远非仅仅是古怪数学的产物，而是被证明是量子技术未来真正有价值的资产。“我们希望这篇论文的影响是让[物理学]界更普遍地重新评估相同粒子在量子力学中的价值，”阿德索说。