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我实验室李传锋、项国勇等利用局域操作实现不同多粒子态纠缠形式的区分

发布时间:2017-04-20

        我实验室在量子纠缠研究方面取得重要进展,李传锋、项国勇研究组与合作者Markus Grassl(Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts)、曾蓓(University of Guelph)首次利用局域操作的方法实验上实现了两个多比特量子态纠缠形式的区分。相关研究成果在线发表在Nature出版集团旗下期刊npj Quantum Information。

        量子纠缠作为量子力学的一种神秘关联,是很多量子信息任务中不可缺少的资源。为了更好的理解和运用它,人们做了很多相关方面的研究,其中一个重要研究方向就是判断量子态到底是以何种方式纠缠的以及实际过程中如何探测。如果利用SLOCC的方法,当比特数增加到4时就已经不能再给出有效的纠缠类别划分。2013年《科学》杂志的一篇纠缠多面体(entanglement polytope)的文章很好的解决了这一困境。然而要将这一方法实际运用到纠缠类别的探测过程中还存在一个严重的问题,因为这里给出的纠缠多面体之间是相互嵌套的,并且通过理论计算得出,任意一个量子态有很大概率位于重叠区域(例如任意一个三比特量子态位于重叠区域的概率就大约为0.9398),因此一般情况下人们不能直接运用纠缠多面体去区分出两个量子态间不同的纠缠形式。 


实验原理与结果图 

        李传锋、项国勇等人针对这一问题,提出了利用单比特局域操作来移动量子态的方法,并制备出两个不同纠缠形式的四比特量子态进行了实验验证。首先,从实验测得的单光子谱可以看出,两个量子态基本位于同一位置,我们不能直接区分出它们的纠缠类型。然后,通过对第一个光子进行后选择测量,最后一个光子进行local filter的操作,其中一个量子态则被移出了重叠区域,相反,经过几轮的尝试后仍无法将另外一个量子态移出重叠区域,因此可以给出结论:两个量子态是属于不同的多面体的,即拥有不同的纠缠形式。最后,通过量子态层析技术重构出了两个量子态的具体形式,进一步确认了上述结果的正确性。

        本研究成果给出了一种只需要测量量子态单光子约化密度矩阵就可以判断纠缠类型的方法,为多体量子态纠缠形式的实验探测提供了新的可能性。

        中科院量子信息重点实验室博士赵圆圆为论文的第一作者,这项工作得到国家基金委、科技部和中国科学院的支持。 

论文链接: http://www.nature.com/articles/s41534-017-0007-5