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我实验室李传锋研究组利用干涉条纹实验实现对量子相干性的直接测度

发布时间:2017-01-12

我实验室在量子相干性的实验研究中取得重要进展,李传锋、唐建顺等人利用干涉条纹实验实现了对量子相干性这一最基本量子资源的直接测度,为量子相干的深入研究和进一步应用于量子信息过程打下重要基础。该研究成果1月12日发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。

 

量子相干性(quantum coherence)来自于量子叠加原理,它是量子力学最基本的特性,也是量子信息的优势所在。对于量子相干性的研究由来已久,从最早的双缝干涉,到量子信息兴起后量子相干性的各种应用及如何克服退相干问题等。以前测量量子相干性的办法都是利用量子态扫描得到系统整个量子态密度矩阵,再根据其非对角元的大小间接地得到系统的量子相干性的信息,但是量子态扫描的过程非常繁琐。近几年,科学家们将量子相干性与量子纠缠等一起纳入资源化理论框架下,确立为量子资源进行定量研究。量子相干性无疑是其中最宽泛最基本的量子资源,在某种意义上量子纠缠及其它量子资源都是以量子相干性为基础的。这些工作为我们直接有效地测定物理系统量子相干性的大小打下理论基础。

 

测度量子相干性的实验光路图

 

李传锋研究组基于鲁棒性(robustness,抗干扰能力)和物理量直接观测的思想,实验实现了光子偏振的量子相干性的两种定量测量方案。其中基于鲁棒性的方案首先将一些杂质与待测系统混合,并观测混合系统的干涉条纹;接着增加杂质的含量直至干涉条纹消失(也即相干性被损耗殆尽);变换各种杂质重复以上过程,干涉条纹消失所需杂质的最小比值就表示了待测系统量子相干性的大小。这一结果的物理意义很浅显,干涉条纹是量子相干性的直接表现,待测系统的量子相干性越强,鲁棒性就越强,条纹就越难以消失,相应地所需混合进去的杂质比例就越大。而基于物理量直接观测的方案则更简单,研究组找到了光子偏振的量子相干性的观测量,直接对其量子相干性进行观测。研究组还进一步通过量子态扫描测出系统整个的量子态,计算出其量子相干性,然后和两种直接测定的量子相干性相比较,结果完全一致,证明了两种实验方案的可靠性。

 

本研究成果提供了两种直接测度量子相干性的方法,这两种方法均满足量子资源化理论的框架,并且相比于传统的扫描整个量子态的方法更加简单有效。本工作为量子相干性的深入研究以及促进其在量子信息技术中的进一步应用打下重要基础。

 

 文章第一作者为博士研究生王轶韬。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

 

文章链接:

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.020403

 

(中科院量子信息重点实验室、量子信息与量子科技前沿创新中心、科研部)