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中科大首次實驗驗證多體系統中量子態可被同時導引的特性

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2022-03-28 16:03 | 稿件來源:澎湃新聞

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近日,中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子信息基礎研究中取得重要進展,首次通過實驗驗證多體系統中量子態可被同時導引的特性,這一成果在多用戶量子通信、量子網絡的搭建、多體糾纏檢測中都具有重要的應用前景。

資料圖。圖源:東方網

量子導引描述了一個粒子通過局域測量影響另一個粒子量子態的能力。作為一種量子非局域現象,量子導引擁有獨特的非對稱性質,能進一步實現單向量子導引,即一方可以導引另一方,反過來卻不行。在多體量子導引的研究中,單配性關係會限制量子導引在個體之間的分享能力,使得一方不能同時被其他參與方導引。

但理論研究表明,在增加測量方向的情況下,多體量子導引會出現違背單配性的現象,展示出多體之間豐富的導引共享關係結構。為了實驗驗證這種非單配性共享關係,就需要對多體量子統進行任意測量,這就要求制備具有高保真度的多體糾纏量子比特統。

此次,郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、孫凱等人對多體量子導引的關係結構進行了實驗研究,首次觀測到多體量子導引的非單配性共享關係,即其中一方的量子態可以被另外兩方同時導引。相關研究成果近日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

近年來,李傳鋒、許金時、孫凱等人基於光學平台統地開展了量子導引的實驗研究,包括全對無(all-versus-nothing)量子導引的驗證、單向量子導引的實現等。在本次研究中,團隊進步利用光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度,構建了三量子比特統,制備了一系列的三體糾纏態,平均保真度達到96%。研究人員通過拓展量子導引的不確定關判據,研究了多體量子導引的非單配性共享關

中科大團隊的實驗結果表明,在三體量子統中,方的量子態可以被另外兩方同時導引,這種現象違背了傳統的單配性關,證實了多體量子導引的共享性質。此外,團隊通過對處於W態(類多體糾纏態)的三體統進行充分地分析,展示了不同的量子導引架構,並利用所證實的多體量子導引非單配性的共享關係,進一步實現了三體真糾纏的實驗驗證。與常規方法相對比,這種檢測方法所需要的測量資源更少,展現了其高效性。

三體統中的量子導引結構(不帶叉箭頭表示方可以導引另方,帶叉箭頭表示方不可以導引另方)a為量子導引的單配性關結構,任何方不能被另外兩方同時導引;b為違背單配性的共享關結構,某方可以被另外兩方同時導引,圖片來自中國科學技術大學

此次研究成果展示了量子導引在多體統中豐富的關結構,加深了對量子導引物理概念的理解,對量子信息基礎研究具有重要意義。同時該工作為基於量子導引單配性的信息協議提供了全面的分析視角,在多用戶量子通信、量子網絡的搭建、多體糾纏檢測中具有重要的應用前景。

中科院量子信息重點實驗室博士研究生郝澤琰為該工作第一作者。此次研究獲得科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。


【編輯:馬華】

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