我系李传锋、许金时等首次在两比特系统中观测到严格的单向量子导引

我系郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在量子力学基础研究方面取得重要进展,该实验室李传锋、许金时研究组在两比特系统中首次在实验中观测到多种测量设置的单向EPR量子导引。该研究成果4月5日发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上,并被选为编辑推荐文章。

1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(EPR)描述了量子力学框架下 “幽灵般”的现象:“作用在一个物体上的两个不同测量使另一个物体处于两个不同的状态”。薛定谔详细研究了这种现象,并提出了量子导引的概念。量子导引描述了一方通过测量可以非局域地影响另一方量子态的能力,是介于纠缠与贝尔非局域性之间的一个量。它在本质上是非对称的,这与纠缠和贝尔非局域性都不同。在某些情况下,量子导引甚至可以是单向的:由A与B构成的系统中,A能导引B,但是B却不能导引A。

李传锋、许金时等人对量子导引进行了系列研究,包括实现了非此即彼框架下量子导引的实验验证[PRL 113, 140402 (2014)],实验上定量研究了量子导引的非对称性[PRL 116, 160404 (2016)],这些实验都是在特定几个测量设置情况下完成的。国际同行在这个方向也做了大量的探索工作。然而到目前为止,即使是在最简单的两量子比特系统中,对任意测量设置的量子导引仍然没有实现,而这才是严格意义下的量子导引。在本实验中,研究组搭建了参数可调的不对称的马赫-曾德干涉仪,并制备出一类特殊的两比特纠缠态。理论表明在特定的参数空间中,所制备的量子态对任意测量设置都存在单向量子导引。实验上,研究组分别测量了两种测量设置和三种测量设置下不同方向的导引半径。当导引半径大于1,则导引成功;反之则导引失败。实验结果清晰地展现了随着量子态参数的变化,从双方互相导引区域到单向导引区域再到互相不能导引区域的变化。实验结果还显示,可单向导引的态空间随着测量设置的增加而减少。研究组进一步分析表明,他们与合作者提出的导引半径是一种直观高效的量子导引充要判据。

基于最简单的两体系统实现的量子导引,在量子物理基本问题的研究中有着重要意义。并且两量子比特导引对量子资源的要求很小,将在未来的单向量子信息任务中发挥重要作用。

该论文共同第一作者是博士生肖芽(实验)和博士后叶向军(理论)。该工作得到了科技部、国家基金委、中科院和教育部的资助。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.140404

(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)

编辑时间:2017-04-12