中國科大量子測(cè)量重要進(jìn)展：首次使用糾纏測(cè)量將熱力學(xué)系統(tǒng)反作用極小化

來自中國科大的消息顯示，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、項(xiàng)國勇研究組與德國、意大利以及瑞士的理論物理學(xué)者合作，在光子系統(tǒng)中首次實(shí)驗(yàn)使用糾纏集體測(cè)量將量子比特?zé)崃W(xué)系統(tǒng)中投影測(cè)量的反作用降至最小。

據(jù)了解，對(duì)演化的相干量子系統(tǒng)上的一個(gè)可觀測(cè)量進(jìn)行兩次投影測(cè)量時(shí)，第一次測(cè)量通常會(huì)改變第二次測(cè)量的統(tǒng)計(jì)信息，這就是所謂的測(cè)量反作用。其根源在于量子投影測(cè)量會(huì)完全破壞量子系統(tǒng)的量子疊加性。

圖1：實(shí)驗(yàn)原理圖與實(shí)驗(yàn)裝置圖

國外研究人員指出，在不違背量子熱力學(xué)的基本漲落理論的前提下，我們無法設(shè)計(jì)出一個(gè)測(cè)量方案完全避免反作用，但我們可以通過集體測(cè)量的方式來減少投影測(cè)量帶來的反作用的程度。基于以上的理論結(jié)果，中國科大研究團(tuán)隊(duì)于2019年首次在實(shí)驗(yàn)上利用量子集體測(cè)量成功觀測(cè)到測(cè)量反作用力的減小。

先前的工作所使用的集體測(cè)量均為可分離量子集體測(cè)量，那么是否存在糾纏的集體測(cè)量超越我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的反作用減少程度呢？

中國科大研究團(tuán)隊(duì)就兩比特情形下，對(duì)最優(yōu)化的集體測(cè)量形式進(jìn)行了深入的研究，他們發(fā)現(xiàn)在理論上存在一個(gè)最優(yōu)的糾纏集體測(cè)量，能在兩比特系統(tǒng)中使反作用達(dá)到最小，并且在強(qiáng)相干演化的情形下，其反作用可被壓制為0。

圖2：實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)不同初始量子態(tài)和演化過程，利用糾纏集體測(cè)量實(shí)現(xiàn)反作用力的減小。

基于這一研究發(fā)現(xiàn)，他們利用單光子的多個(gè)自由度結(jié)合光量子行走的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，設(shè)計(jì)并以高達(dá)0.985的保真度實(shí)現(xiàn)了該糾纏測(cè)量，成功地在實(shí)驗(yàn)上把投影測(cè)量反作用降至最小。

據(jù)悉，相關(guān)研究成果于2020年11月16日發(fā)表在國際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。審稿人稱，“該實(shí)驗(yàn)執(zhí)行得很好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理想實(shí)現(xiàn)的預(yù)期非常接近。總的來說，我發(fā)現(xiàn)這篇文章是對(duì)量子反作用這一主題的一個(gè)非常吸引人貢獻(xiàn)，是新理論和完美實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的成功結(jié)合”，“這項(xiàng)工作是該領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展”，該工作對(duì)集體測(cè)量以及量子熱力學(xué)的研究具有重要意義。

責(zé)任編輯：PSY