南大張利劍團隊發表關於量子探測器相干性的研究成果

2020-09-11 量子之聲

近日，現代工程與應用科學學院張利劍教授課題組與德國烏爾姆大學 (Universität Ulm)Martin B. Plenio教授課題組、加拿大滑鐵盧大學劉子文博士和澳大利亞雪梨科技大學俞能昆教授合作的成果&34;發表於 《物理評論快報》 （Physical Review Letters 125, 060404 (2020), DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.060404）。該工作從量子資源理論的角度出發，對量子探測器利用量子資源的能力進行了研究，首次在實驗中量化了一類量子探測器--可調弱場零差探測器—在不同配置下對相干性這一量子資源的利用能力。

圖1. 量化探測器相干性的實驗原理圖

量子探測器的結構和應用場景比經典探測器更為複雜，因而用來量化經典探測器性能的參數，如探測效率、噪聲強度等，無法全面描述量子探測器的性能，而應該從量子資源的角度出發，提出量化量子探測器性能的新方法。量子相干性是量子技術超越傳統設備性能的基本資源，而實現此優勢的先決條件是測量設備可以有效提取量子態和量子操作中的相干性。基於最近發表的量子操作相干性的資源理論，研究團隊將其推廣並用來定量研究量子探測器提取相干性的能力，並針對一類重要的量子探測器—可調弱場零差探測器—探測量子相干性的能力進行研究，利用量子探測器層析（quantum detector tomography）實驗重構該探測器的測量算符，進而計算探測器的相干性。通過對可調弱場零差探測器在不同配置下相干性的實驗標定，研究團隊得到導致該量子探測器探測相干性能力變化的因素，對將來進一步使用這類探測器提供了有力的理論指導。同時該工作首次以資源理論的角度對量子測量進行了實驗研究，為準確評估量子測量設備的性能提供了新的思路。

圖2. 不同本地振蕩器和幹涉對比度下可調弱場零差探測器的相干值變化趨勢。

量子相干性在量子計算、量子通信、量子計量學和量子生物學等量子技術中發揮著不可或缺的作用。因此量子相干性作為一種資源的定量評估引起了廣泛興趣，並有大量工作針對相干性的產生和調控展開研究。但是要將量子相干性應用到更加廣闊的領域，僅僅產生和調控相干性是不足夠的，我們還必須能夠探測相干性，而本工作正是填補了這一空白，從而完善了量子相干性的研究框架，將量子相干性的應用進一步推廣。

南京大學現代工程與應用科學學院博士研究生徐慧超，許飛翔和烏爾姆大學博士研究生Thomas Theurer為該論文共同第一作者，本研究得到德勒斯登工業大學的Dario Egloff的大力支持和參與，張利劍教授和Martin B. Plenio教授為論文的共同通訊作者，南京大學為論文第一單位。該研究受到國家重點研發計劃(2018YFA0306202，2017YFA0303703)、國家自然科學基金等項目資助，以及人工微結構科學與技術協同創新中心、固體微結構物理國家重點實驗室等平臺的大力支持。


論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.060404

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