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中國科大首次在兩比特系統(tǒng)中觀測到嚴(yán)格的單向量子導(dǎo)引

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中國科大首次在兩比特系統(tǒng)中觀測到嚴(yán)格的單向量子導(dǎo)引

摘要: 　　中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室在量子力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)方面取得新進(jìn)展，該實驗室李傳鋒、許金時學(xué)習(xí)組在兩比特系統(tǒng)中首次在實驗中觀測到多種測量設(shè)置的單向EPR量子導(dǎo)引 ...

　　中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室在量子力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)方面取得新進(jìn)展，該實驗室李傳鋒、許金時學(xué)習(xí)組在兩比特系統(tǒng)中首次在實驗中觀測到多種測量設(shè)置的單向EPR量子導(dǎo)引。該學(xué)習(xí)成果4月5日發(fā)表在國際期刊物理評論快報上，并被選為編輯推薦文章。
　　1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森（EPR）描述了量子力學(xué)框架下“幽靈般”的現(xiàn)象：“作用在一個物體上的兩個不同測量使另一個物體處于兩個不同的狀態(tài)”。薛定諤詳細(xì)學(xué)習(xí)了這種現(xiàn)象，并提出了量子導(dǎo)引的概念。量子導(dǎo)引描述了一方通過測量可以非局域地影響另一方量子態(tài)的能力，是介于糾纏與貝爾非局域性之間的一個量。它在本質(zhì)上是非對稱的，這與糾纏和貝爾非局域性都不同。在某些情況下，量子導(dǎo)引甚至可以是單向的：由A與B構(gòu)成的系統(tǒng)中，A能導(dǎo)引B，但是B卻不能導(dǎo)引A。
　　李傳鋒、許金時等人對量子導(dǎo)引進(jìn)行了系列學(xué)習(xí)，包括實現(xiàn)了非此即彼框架下量子導(dǎo)引的實驗驗證[PRL 113， 140402 (2014)]，實驗上定量學(xué)習(xí)了量子導(dǎo)引的非對稱性[PRL 116， 160404 (2016)]，這些實驗都是在特定幾個測量設(shè)置情況下完成的。國際同行在這個方向也做了大量的探索工作。然而到目前為止，即使是在最簡單的兩量子比特系統(tǒng)中，對任意測量設(shè)置的量子導(dǎo)引仍然沒有實現(xiàn)，而這才是嚴(yán)格意義下的量子導(dǎo)引。在該實驗中，學(xué)習(xí)組搭建了參數(shù)可調(diào)的不對稱的馬赫-曾德干涉儀，并制備出一類特殊的兩比特糾纏態(tài)。理論表明在特定的參數(shù)空間中，所制備的量子態(tài)對任意測量設(shè)置都存在單向量子導(dǎo)引。實驗上，學(xué)習(xí)組分別測量了兩種測量設(shè)置和三種測量設(shè)置下不同方向的導(dǎo)引半徑。當(dāng)導(dǎo)引半徑大于1，則導(dǎo)引成功；反之則導(dǎo)引失敗。實驗結(jié)果清晰地展現(xiàn)了隨著量子態(tài)參數(shù)的變化，從雙方互相導(dǎo)引區(qū)域到單向?qū)б齾^(qū)域再到互相不能導(dǎo)引區(qū)域的變化。實驗結(jié)果還顯示，可單向?qū)б膽B(tài)空間隨著測量設(shè)置的增加而減少。學(xué)習(xí)組進(jìn)一步分析表明，他們與合作者提出的導(dǎo)引半徑是一種直觀高效的量子導(dǎo)引充要判據(jù)。
　　基于最簡單的兩體系統(tǒng)實現(xiàn)的量子導(dǎo)引，在量子物理基本問題的學(xué)習(xí)中有著重要意義。并且兩量子比特導(dǎo)引對量子資源的要求很小，將在未來的單向量子信息任務(wù)中發(fā)揮重要作用。
　　該論文共同第一作者是博士生肖芽（實驗）和博士后葉向軍（理論）。該工作得到了科技部、國家基金委、中科院和教育部的資助。

　　圖：三個測量設(shè)置情況下的量子導(dǎo)引半徑。一個點對應(yīng)一個量子態(tài)，橫坐標(biāo)對應(yīng)B對A的導(dǎo)引，縱坐標(biāo)對應(yīng)A對B的導(dǎo)引。中國科大首次在兩比特系統(tǒng)中觀測到嚴(yán)格的單向量子導(dǎo)引  |  責(zé)任編輯：蟲子
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