兩個粒子是否“糾纏”？讓科學家頭疼幾十年，如今有了新解法！

判斷兩個量子粒子是否真正"糾纏在一起"，聽起來像是一個基礎問題，實則是量子信息領域幾十年來未能完全解決的核心難題。

中國科學院大學喬從豐教授團隊近期在這一方向取得了實質性進展。他們提出了一套基于可觀測量關聯(lián)矩陣的理論框架，并引入了"測量誘導布洛赫空間"這一新概念，為量子態(tài)可分離性判定提供了一個兼具物理直覺和數(shù)學嚴謹性的新工具。相關成果發(fā)表于量子信息領域知名期刊《Quantum》。

要理解這項研究的價值，先要理解這個問題有多難。

量子糾纏是量子力學最核心、也最反直覺的特性之一，兩個處于糾纏態(tài)的粒子，無論相距多遠，對其中一個粒子的測量都會瞬間影響另一個粒子的狀態(tài)。這種非經典關聯(lián)，是量子通信、量子計算和量子精密測量的底層資源，沒有糾纏，量子計算機就退化為經典計算機，量子密鑰分發(fā)就失去安全性基礎。

但問題在于，給定一個量子系統(tǒng)的密度矩陣，如何判斷它是糾纏態(tài)還是可分離態(tài)？這個問題在數(shù)學上已被證明屬于"NP難"（NP-hard）問題，也就是說，隨著量子系統(tǒng)維度增加，判斷所需的計算資源會呈指數(shù)級爆炸式增長，不存在已知的多項式時間通用算法。

這意味著沒有任何單一判據(jù)能夠"一勞永逸"地解決所有情況。領域內數(shù)十年來積累的各類判據(jù)，包括著名的PPT判據(jù)（正部分轉置準則）、糾纏目擊算符方法、關聯(lián)矩陣判據(jù)等，每一種都只能在特定條件下有效，都存在各自的盲區(qū)。

尋找新的、更具普適性的判定準則，因此始終是量子信息理論的核心課題之一。

喬從豐團隊的切入點，在于對量子態(tài)關聯(lián)結構的幾何化理解。

傳統(tǒng)的關聯(lián)矩陣方法已有一定基礎，它通過構造量子態(tài)可觀測量之間的關聯(lián)矩陣來提取糾纏信息。已有方法在利用關聯(lián)矩陣信息時往往不夠充分，尤其是對于高維系統(tǒng)和混合態(tài)，漏檢率較高。

該團隊的創(chuàng)新之處在于引入了"測量誘導布洛赫空間"（Measurement-Induced Bloch Space，MIBS）這一新概念。布洛赫球是量子力學中描述單量子比特狀態(tài)的經典幾何工具，而MIBS將這一幾何框架推廣到由特定可觀測量測量所誘導的空間中，賦予了關聯(lián)矩陣明確的幾何含義。

研究團隊的核心發(fā)現(xiàn)可以用一句話概括：對于任何可分離的量子態(tài)，其可觀測量的關聯(lián)矩陣必須滿足由MIBS幾何參數(shù)所確定的嚴格上界約束。換言之，如果一個量子態(tài)的關聯(lián)矩陣違反了這一幾何限制，它就一定是糾纏態(tài)。這個約束條件不是憑經驗猜測的，而是從可分離態(tài)的結構定義中嚴格推導出來的，具有數(shù)學上的必然性。

這種幾何化視角的優(yōu)勢在于物理圖像清晰。研究人員不必陷入抽象的矩陣運算，而是可以直觀地理解：可分離態(tài)在MIBS空間中的關聯(lián)結構必須"待在邊界之內"，一旦超出，糾纏的存在便昭然若揭。

更重要的是，這一框架原則上可以推廣至多體量子系統(tǒng)的糾纏探測，這對于量子多體物理和大規(guī)模量子計算中的糾纏表征具有潛在的重要價值，因為多體系統(tǒng)的糾纏判定比雙體情形困難得多。

現(xiàn)階段，這項工作的意義更多體現(xiàn)在理論層面，即為量子態(tài)可分離性判定提供了一個新的、有效的分析框架。從理論工具到實驗室中的直接應用，還需要進一步的研究來探索其在特定實驗平臺上的操作性。但在量子信息基礎理論這一對嚴格性要求極高的領域，能夠以清晰的物理圖像推導出具有普適性的判據(jù)，本身就是一次有分量的理論推進。

隨著量子計算機的規(guī)模持續(xù)擴大，對多比特糾纏態(tài)進行快速、可靠的表征驗證，正在從理論興趣演變?yōu)楣こ绦枨蟆＿@項來自國科大的研究，或許正在為這條路鋪上一塊新的基石。