撰稿 / 何郁庭 (科學推展中心特約編輯)
圖一、量子系統中蒸餾、轉換與分類性質解說。a. 蒸餾(distillation)：局域性篩選裝置可以將σ(1)a|x的操縱性，提高並對應至σ(2)a|x。b. 轉換(convertibility)：將以蒸餾的σ(2)a|x，經由K’篩選裝置，映射回σ(1)a|x。c. 分類(classification)：如果不同的集合(assemblages)屬於同一個類別，則等同於相同的操縱等效可觀測量(SEO)。通過轉換與分類的等效性，可以找到σ(1)a|x至σ(2)a|x之間，將量子操縱性蒸餾至最大的篩選裝置。
2022年，國立成功大學物理系陳岳男特聘教授，與奧地利量子光學與量子資訊研究所(IQOQI)的古煥宇博士、Costantino Budroni博士，攜手國立中興大學物理系陳信良助理教授、西班牙光子科學研究所(ICFO)的謝忠耘博士，連結了量子資訊(quantum information)中，量子操縱性與測量不兼容性兩個基礎概念，並從中發展出一套量子操縱資源的分類理論。此成果已於今年(2022)8月刊登於期刊《自然通訊》(Nature Communications)。
量子糾纏是量子物理發展的熱門議題，又因其衍生的量子電腦、量子密碼學等應用端深具潛力，使其備受矚目。關於量子糾纏研究的基礎，最早可以追溯至1935年由愛因斯坦、波多爾斯基、羅森三人，針對波耳量子力學理論的不完備性，所提出的EPR悖論。隔年(1936)，薛丁格則提出「量子操縱性」的特性，認為觀測纏結量子對的其中一個粒子，可以瞬間影響另一粒子的量子狀態。雖然其中還有許多謎團，但量子理論近年來已逐漸在資訊科學的應用上大放異彩。
進行量子糾纏特性的討論時，其中一種測試方法，是利用單側裝置獨立(1S-DI, one-sided device-independent)的系統觀測，此觀測即為量子操縱性的量測系統，進而如何為量子操縱資源進行優劣分級，將量子操縱性質與其他非量子的效應區隔開。此研究利用局域性篩選裝置(local filters)對量子操縱進行「蒸餾」(distillation)，將量子系統的操縱性提高至更佳的程度，同時，亦處理「轉換」(convertibility)的特性，將蒸餾後的量子系統，利用測量與篩選資源的方式，將其轉換為蒸餾前的狀態。此外，此研究利用操縱等效可觀測量(SEO, steering-equivalent-observable)，為量子操縱資源進行「分類」(classification)。
以上的量子最大操縱性的有效計算，與測量不兼容性有所對應，計算的結果展示，兩粒子狀態(bipartite state)的出現與操縱性組合，相等於不可信端的測量不兼容性。因此，只要量子系統經過分類，位於相同的類別，則代表它們可以互相轉換，也就是說，在量子科技的實際應用上，可以帶來相同的效果。
此研究可優化1S-DI量子資訊的效能，對量子密碼學、量子隨機生成的領域亦有明顯的助益。於理論面上，研究結果可成為EPR悖論與海森堡測不準定理之間的橋量，於應用面上，量子操縱為建構量子網路的關鍵之一，因此將對量子操縱資源的完全分類的理論，或許很快將會在量子網路中有實際應用。
參考文獻
[1]Ku, HY., Hsieh, CY., Chen, SL. et al. Complete classification of steerability under local filters and its relation with measurement incompatibility. Nat Commun 13, 4973 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32466-y
