中國科大實現量子態在非相干操作下的轉化

2020-11-25 中國科大..

我校郭光燦院士團隊在量子相干性理論與實驗研究中取得重要進展，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日發表在國際著名物理學學術期刊《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的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。

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）

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重要進展，繼2017年首次實現量子相干性的輔助提取（Wu et al. Optica 4, 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，並得到了審稿人的高度肯定。他們寫道，「it is an important piece in the field of quantum information processing which deserves publication in a top journal（它是量子信息處理研究領域中的重要一塊，它值得發表在一個頂級的期刊）」以及「I do not find any flaw with this manuscript（我沒有發現關於該稿件的任何瑕疵）」。

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項國勇教授以及華沙大學的Alexander Streltsov博士。

本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。


文章連結：https://www.nature.com/articles/s41534-020-0250-z 


（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）


相關焦點

  • 中國科大等實現量子態在非相干操作下的轉化
    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
  • 科學家實現量子態在非相干操作下的轉化
    中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子相干性理論與實驗研究中取得重要進展，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。
  • 量子資源理論進展:確定性量子相干提純
    量子態的相干性是量子物理區別於經典物理的重要性質，也是實現量子計算、量子保密通訊、量子精密測量等量子信息處理任務的重要資源。將量子態的相干性視作一種可用的量子資源進行定量的刻畫，加深了人們對量子態的相干性在量子計算與量子信息處理任務中作用的認識，為更好地應用量子態的相干性提供了理論基礎。
  • 量子態遠程傳送的實驗實現
    最後,我們著重指出, Alice在進行􀂅Bell態的測量過程中並沒有獲得光子1極化性質的任何信息.這正說明,為什麼利用兩光子關聯態能使量子態遠程傳送獲得成功,而任何試圖測量單粒子疊加態的方案都不能奏效.也正因為如此,使得量子態遠程傳送繞過了非克隆定理的限制.因為在成功地實現了量子態遠程傳送之後,光子1已不再處於原先的初態,從而光子3並非是光子1的複製品而僅僅是量子態的轉移
  • 科研人員實現單個分子的相干合成
    中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員詹明生、副研究員何曉東等帶領的研究團隊，與維也納工業大學、北京計算科學研究中心、清華大學、上海交通大學、巴黎薩克雷大學等的科研人員合作，在實驗室中利用微波將光阱中一對超冷異核原子相干合成單個超冷分子，在國際上首次實現單個分子的相干合成。操控原子-分子體系的所有自由度是量子體系調控的夢想與挑戰。
  • 中國科大潘建偉團隊率先開展引力誘導量子糾纏退相干實驗檢驗
    近年來，理論物理學家探討了一些在目前實際條件下可能進行實驗驗證的新機制，比如，澳大利亞物理學家Ralph等提出一個「事件形式」理論模型，探討了引力可能導致的量子退相干效應，並提出一個現實可行的試驗方案。該方案預言，糾纏光子對在地球引力場中的傳播， 其關聯性會概率性地損失。
  • 我國科學家首次實現單個分子的相干合成
    ，在國際上首次實現單個分子的相干合成。從雷射冷卻原子到超冷原子再到原子量子計算，對原子體系量子態的操控達到了非常精密的程度。然而，從原子相干地生成分子從而實現原子-分子之間的相干轉化，看似一步之遙，實則面臨眾多挑戰。
  • Science：國際首次實現單個分子的相干合成
    從雷射冷卻原子到超冷原子再到原子量子計算，對原子體系量子態的操控達到了非常精密的程度。然而，從原子相干地生成分子從而實現原子-分子之間的相干轉化，這看似一步之遙，實則面臨眾多挑戰。另一方面，冷分子有著比冷原子更豐富的內部能級，因而被視為一種非常重要的量子資源，可被用於超冷化學、凝聚態體系的量子模擬、檢驗基本物理學的精確測量、量子信息處理等諸多前沿科學研究中。
  • 中國科大在量子輸運、量子等離激元研究領域取得重要新進展
    中國科大在量子輸運、量子等離激元研究領域取得重要新進展 近期，合肥微尺度物質科學國家實驗室國際功能材料量子設計中心與中科院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授研究組在低維量子輸運領域取得系列新進展
  • 中國科大實驗實現量子相干性蒸餾
    Lett. 116, 070402 (2016)]研究了量子相干性在兩體量子系統Alice與Bob中的轉化問題。此任務是在局域量子-非相干操作以及經典通訊的協議（Local Quantum-Incoherent Operation and Classical Communication，LQICC）下，研究人員只能對Bob進行局域非相干操作，而對輔助系統Alice可以做任意的局域操作，Alice和Bob可以進行經典通訊，最終使Bob系統中量子相干性最大化。
  • 我國科學家首次實現單個分子的相干合成—新聞—科學網
    在國際上首次實現單個分子的相干合成。從雷射冷卻原子到超冷原子再到原子量子計算，對原子體系量子態的操控達到了非常精密的程度。然而，從原子相干地生成分子從而實現原子-分子之間的相干轉化，看似一步之遙，實則面臨眾多挑戰。 另一方面，冷分子有著比冷原子更豐富的內部能級，因而被視為一種非常重要的量子資源，可被用於超冷化學、凝聚態體系的量子模擬、檢驗基本物理學的精確測量、量子信息處理等諸多前沿科學研究中。
  • 中國科大量子:糾纏測量將熱力學系統反作用極小化
    中國科大量子：糾纏測量將熱力學系統反作用極小化2020-11-25 10:30出處/作者：C114通信網整合編輯：佚名責任編輯：lishiye1> 　　來自中國科大的消息顯示，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、項國勇研究組與德國、義大利以及瑞士的理論物理學者合作，在光子系統中首次實驗使用糾纏集體測量將量子比特熱力學系統中投影測量的反作用降至最小。
  • 量子相干和量子糾纏具有操作等效性
    原標題：量子相干和量子糾纏具有操作等效性 　　上圖 （a）兩個輸入態（S和A）都是不相干的，無法通過非相干操作轉化為糾纏；（b）輸入態S有非零相干，這種相干可以通過非相干操作轉化為糾纏。新結果表明，在這種情況下，輸入相干和輸出糾纏在數量上是相等的。
  • 進展 | 量子相干度量研究進展
    量子光學中經常提到的相干態就是基於相干疊加原理所構成的量子態。儘管如此，關於量子相干大小的度量問題，研究者只是基於較為直觀的理解，即量子態密度矩陣非對角元的大小就對應於相干度的大小。1962年楊振寧提出超導量子相中存在非對角長程序，即是指長程的量子相干性。
  • 中國科大利用糾纏測量極小化測量對熱力學系統的反作用
    中國科大利用糾纏測量極小化測量對熱力學系統的反作用 我校郭光燦院士團隊在量子測量研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、項國勇研究組與德國、義大利以及瑞士的理論物理學者合作
  • 其次,量子成像可以實現非相干光源的相干成像
    經典成像受限於瑞利衍射極限，而亞波長幹涉現象的發現預示著量子成像可以實現超越衍射極限的超分辨成像。對於N個糾纏光源的系統，Boto等於1999年證實了其在理論上可將成像解析度提高N倍。（2）非局域成像，抗幹擾能力強。首先，量子成像中「物的探測」與「像的重建」是分開進行的，並且可以用非空間探測器（桶探測器或單像素探測器）獲取物體的空間信息。
  • 中國科大量子測量取得重要進展:首次使用糾纏測量將熱力學系統反...
    11 月 24 日消息 來自中國科大的消息顯示，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、項國勇研究組與德國、義大利以及瑞士的理論物理學者合作，在光子系統中首次實驗使用糾纏集體測量將量子比特熱力學系統中投影測量的反作用降至最小。
  • 中科院精密測量院詹明生團隊相干合成單個分子開啟原子-分子體系全面相干操控研究大門
    ，在國際上首次實現單個分子的相干合成。從雷射冷卻原子到超冷原子再到原子量子計算，對原子體系量子態的操控達到了非常精密的程度。然而，從原子相干地生成分子從而實現原子-分子之間的相干轉化，這看似一步之遙，實則面臨眾多挑戰。　　另一方面，冷分子有著比冷原子更豐富的內部能級，因而被視為一種非常重要的量子資源，可被用於超冷化學、凝聚態體系的量子模擬、檢驗基本物理學的精確測量、量子信息處理等諸多前沿科學研究中。
  • 隨機光纖雷射由非相干拓展到相干
    日前，中國科學技術大學化學與材料科學學院張其錦教授研究組與張群副教授研究組合作，研製出基於極弱納米顆粒散射體系的低閾值、方向性好、可調控的相干隨機光纖雷射，並論證了其機理。　　傳統雷射除了需要增益介質如雷射染料、稀土離子等外，還必須有光學反射鏡所組成的高穩諧振腔。