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我实验室李传锋、唐建顺等首次利用演化的特征谱观测非马尔可夫性

发布时间:2018-04-03
我实验室在开放量子系统的实验研究中取得重要进展,李传锋、唐建顺等人首次实验实现动力学演化过程的特征谱测量,并用来探测演化的非马尔科夫性。该研究成果2月8日发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。
 
开放量子系统不可避免地与环境相互作用,一般情况下系统的信息会不断地流入环境,这就是马尔科夫过程。然而有些情况下,比如环境比较小时,系统流入环境的信息可以部分甚至全部地回流到系统中,这就是非马尔科夫过程。探测演化过程的非马尔科夫性是近十年来开放量子系统的研究焦点。早在2011年,李传锋研究组即率先开展了非马尔科夫性的定量实验研究,并首次观察到马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变现象[Nature Physics 7, 931 (2011)]。2014年,理论物理学家们进一步把非马尔科夫过程做了细分:如果系统流入环境中的信息部分回流,则为弱非马尔科夫过程;如果信息全部回流,则为完全(essential)非马尔科夫过程。
 
冯·诺依曼的谱理论是量子力学的数学基础之一,已经被广泛应用到各个领域。几乎每个量子系统都有其特征谱,比如原子系统的特征谱线等等。最近的理论研究把谱理论推广到了开放量子系统的动力学演化过程,并发现利用演化的特征谱可以方便地探测完全非马尔科夫过程:如果演化过程的特征谱乘积的导数出现大于零的值,则这个演化一定是完全非马尔可夫的。
 
然而实验探测动力学演化的特征谱并非易事,因为这一理论是建立在几个算子之上的,而算子是无法在实验中制备的。为此,李传锋研究组提出用两个量子态单独演化的结果来实现所需的算子,并证明对于任意维度的演化过程,总可以找到两个量子态来等效实现所需的算子。实验中,研究人员利用光子的偏振态作为量子系统,光子的空间模式作为量子系统的环境,通过一系列小型偏振分束器把量子系统与环境耦合起来,并模拟系统的演化过程。他们分别对所制备的初态进行演化,并对末态进行量子态层析,最后通过一系列线性运算得到演化的特征谱,并利用特征谱方法准确地探测不同环境中演化的完全非马尔可夫性。
 
本研究成果扩展了谱理论的应用范围,并提供了利用演化的特征谱探测非马尔可夫性的新方法,它相比于传统方法更加简单有效,并且不需要辅助粒子和量子纠缠等资源。本成果为开放量子系统的进一步深入研究打下了重要基础。
 
文章第一作者为实验室博士研究生俞上。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。
 
测量信道本征值谱的实验光路图 
 
(中科院量子信息重点实验室、量子信息和量子科技前沿创新中心、科研部) 
 
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