中國科大等實現量子態在非相干操作下的轉化

2020-12-05 騰訊網

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子相干性理論與實驗研究中取得新進展，該團隊李傳鋒、項國勇等人與波蘭華沙大學以及德國烏爾姆大學理論物理學家合作，首次在理論上完全解決量子比特在非相干操作（不增加相干性的操作）下的轉化問題並設計實驗進行了驗證，該成果2月13日發表在國際物理學學術期刊npj Quantum Information上。

量子相干性（quantum coherence）作為一種對量子疊加性的量化，是量子物理與量子信息的核心所在，在各種量子任務（如量子計算、量子通訊等）中具有重要應用。最近量子相干性的嚴格定義的提出促進了量子相干性資源理論的發展。量子相干性的資源理論主要研究量子疊加性的操作性價值，其中一個核心問題是量子態在非相干操作下的轉化問題。項國勇研究組及其理論合作者在理論上完全解決了量子比特在非相干操作下的轉化問題，並且將該結果擴展到了分布式體系中的相干性轉化的研究，完全解決了兩體純態的輔助轉化以及部分解決了混合態的輔助轉化。

在這些理論工作的基礎上，項國勇研究組設計了一系列實驗進行了驗證。他們將量子比特編碼到光子的偏振態中，首次設計出全光學的嚴格非相干操作的裝置，並以高保真度實現了單量子比特以及分布式體系中的量子比特在非相干操作下的轉化。實驗結果表明，利用光學技術可以方便地實現量子態在非相干操作下轉化的研究，這為利用現有光學技術在具體應用中實現相干性轉化鋪平了道路。

近年來，項國勇研究組在相干性的理論及實驗研究上取得了一系列進展，繼2017年首次實現量子相干性的輔助提取（Wu et al.Optica4, 454–459 (2017)）以及2018年提出以及驗證量子相干性和量子關聯的循環轉化（Wu et al.Phys. Rev. Lett.121, 050401 (2018)）以後，本成果首次完全解決了量子比特在相干性資源理論中的轉化問題，並得到審稿人的高度肯定。

文章共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生吳康達和德國烏爾姆大學的Thomas Theurer，通訊作者為該實驗室教授項國勇以及華沙大學博士Alexander Streltsov。

該研究得到科技部、國家基金委、中科院、安徽省的支持。

圖1：實現量子態非相干轉化的實驗裝置圖

圖2：量子態在非相干性操作下的轉化（理論與實驗結果圖）

來源：中國科學技術大學

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