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我实验室李传锋、项国勇等采用全新量子测量方法实现了目前国际上最高效的量子态层析测量

发布时间:2018-04-13
    我实验室在量子精密测量研究中取得重要进展:李传锋、项国勇研究组与复旦大学、北京理工大学、南京邮电大学的合作者提出基于光子量子行走的确定性集体测量方法,在实验上实现了目前国际上最高效的量子态层析测量。该研究成果4月12日在线发表在国际权威期刊《自然·通讯》上。 
 
    量子测量是提取量子系统信息必不可少的手段,因此探索量子测量的能力和局限性对不确定性关系、非局域性等量子物理基本问题研究以及量子计量、量子成像、引力波探测等应用都具有重要意义。由于量子世界的概率性,为了提取足够多信息,需要对多个相同的量子系统进行测量。研究发现,虽然这些相同量子系统之间没有纠缠,甚至没有经典关联,但是对他们进行集体测量却能比现有的对每份量子系统单独测量提取更多的信息,从而更高效、更精确地完成各种量子信息任务。所谓集体测量,是指利用非局域测量(即纠缠测量)对量子系统多份相同拷贝的同时测量。尽管早在二十年前集体测量已经被提出并且其重要性得到广泛认可,但是有效实现集体测量却一直被认为是在实验上无法完成的事,这是因为集体测量方案中的非局域测量很难在实验上确定性地实现。因而,目前大多数量子信息任务中提取信息的方法仍然停留在对单个量子系统进行局域测量。集体测量如能在实验上取得突破,将在量子信息领域中获得广泛应用。 
 
    李传锋、项国勇等人提出了一种基于量子行走确定性实现任意两份拷贝的量子态集体测量的一般方法,并在实验上用光子量子行走高保真度地实现了最优的集体测量,在国际上首次把这种确定性集体测量用于单比特量子态层析的实验研究,突破了局域测量的量子精度极限,获得了当前最高效的量子态层析效率。实验结果表明,集体测量至少可以将层析效率提高50%,而且效率提高幅度随着量子态的纯度以及量子系统拷贝数增加而增加。例如,对于测量2048个相同拷贝的一般纯态,我们两份拷贝的集体测量效率比目前最优的自适应局域测量方法提高约3倍。 
 
    该工作展示了一种由测量而导致的非经典现象,提供了一种突破多参数量子精密测量(包括量子态层析)中局域测量的量子精度极限的方法,开创了利用集体测量实现量子信息处理及量子力学基本问题研究的新方向。 
 
    论文的第一作者为实验室博士后侯志博。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的支持。 
 
单份拷贝测量和集体测量示意图,部分实验结果
 
(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) 
 
论文链接: