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中国科大首次实现纠缠系统波函数的直接测量

2019-10-22 08:54:20
[摘要] 研究组在实验上利用双光子超纠缠成功演示了双光子非局域波函数的直接测量。该成果首次实现多体纠缠系统波函数的直接测量,《直接测量纠缠态》一文评论该成果对未来量子信息技术中大规模纠缠系统的探测提供高效的方法

据中国科学院网站10月11日消息,中国科学院院士、中国科技大学教授郭广灿的团队在量子力学基础问题研究方面取得了新进展。李传峰、许萧也等人与斯德哥尔摩大学的雅伦·凯登博士合作,首次提出并实验性地实现了多体非局域波函数的直接测量。研究结果发表在10月9日的国际期刊《物理评论快报》(Physical Review Express)上,并被《编辑推荐》论文选中。美国物理学会网站上的“物理新闻和评论”专栏以“纠缠的直接测量”为主题报道了这一成就。

波函数是量子力学中最核心的概念之一。无论是单体量子系统还是多体量子系统,其状态都可以完全用波函数来表征。目前,测量波函数最常用的方法是量子态色谱法。然而,随着被测系统规模的增加,资源消耗呈指数级增长。2011年,科学家提出了一种基于弱测量和弱值的单光子空间波函数直接测量方法,避免了量子态层析成像中复杂的重建过程。然而,直接测量多体系统,特别是纠缠量子系统的波函数,还没有取得突破。困难在于无法提取多体系统的非局部可观测值的弱值。

在第一次非局域可观测的量子测量之后,[物理rev. letter。122,100405 (2019)]该方法成功地解决了多体系统非局部可观测值提取的难题,可方便地应用于多体系统非局部波函数的测量。该研究小组在实验中成功地证明了利用双光子超缠结直接测量双光子非局域波函数。他们将两个光子制备成偏振态和路径分别处于最大纠缠态的超纠缠态,然后实现偏振态和路径的相互作用,最后通过计算不同投影基下的路径指针直接测量双光子偏振态的波函数。

这是首次直接测量多体纠缠系统的波函数。文章“纠缠态的直接测量”评论说,这一成果为未来量子信息技术中大规模纠缠系统的探测提供了一种有效的方法。本文还阐明了波函数的直接测量技术来源于弱值而不是弱测量。更重要的是,直接测量纠缠多体量子系统的波函数证明了这是一种纯量子技术,而不是经典的干涉过程。这种方法为量子物理基础问题的研究带来了新的思路,对量子信息技术的发展起到了重要的推动作用。

该论文由中国科学院量子信息重点实验室潘伟伟博士和特别助理研究员许萧也共同撰写。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院、安徽省博士后创新人才支持项目的支持。

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