• 中國科大首次實驗實現最優量子糾纏態檢驗

    發布時間:2020-07-21來源:中國科大新聞網

    我校郭光燦院士團隊首次實驗實現了最優效率的多光子糾纏態檢驗,該團隊李傳鋒、陳耕、許小冶等人構造了一種新的糾纏態測量方法,可以快速檢驗出實際制備的多體糾纏態相對于目標糾纏態的保真度,測量精度達到海森堡極限,更重要的是該方法所需測試樣本數不會隨著糾纏態規模增大而增加。該研究成果7月17日發表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

    量子糾纏是量子通訊和量子計算研究中重要的資源,制備高質量的糾纏態是實現眾多量子信息方案的基本前提。而如何刻畫這些實際糾纏態的質量是實施相關量子信息方案首先要解決的問題。傳統的量子態層析方法需要進行的測量數目和后處理的計算復雜度都隨糾纏體系的規模成指數增長。對于未來大規模的糾纏態測量,量子態層析已經不具備實際可操作性。為了減少所需要的測量次數,學術界提出了糾纏目擊的方法來確定糾纏態的存在,但是這種方法不能定量刻畫糾纏態的品質。


    最優量子糾纏態檢驗原理圖示(以兩比特為例)。

    李傳鋒研究組構造了一組最優的測量基,使得目標態可以確定性的通過這些測量。然后隨機選取這些測量基對實際制備的糾纏態進行測試。單次測試通過(輸出為1)會造成失真度(度量制備的態相比目標態的失真情況,失真度越小,保真度越大)的估計值減小,而單次測試不通過(輸出為-1)會造成失真度的估計值上升。在該實驗中,失真度的估計值與測試樣本數n成反比關系,也就是實現了1/n的海森堡極限測量精度,這是量子力學所能允許的極限。而通常的量子態測量方法只能實現1/√n的標準量子極限測量精度。這意味著該工作實現了最優效率的糾纏態檢驗,更重要的是該方法所需要的測試樣本數并不隨著糾纏態規模增大而增加。



    對四光子糾纏態檢驗的結果比較。最優量子糾纏態檢驗方法2500次
    測量和量子態層析方法45000次測量所達到的精度相當。

    利用最優量子糾纏態檢驗方法,研究組對兩光子和四光子糾纏態分別進行了檢驗。其中對于四光子的糾纏態,實驗中利用了9個測量裝置和大約2500次測量即精確表征了實際態的失真度。作為比較,量子態層析方法要達到相同的測量精度,需要使用81個測量裝置和45000次測量。最優量子糾纏態檢驗方法對大規模量子通信和量子計算網絡具有重要意義。

    中科院量子信息重點實驗室博士后張文豪,特任副研究員張超,博士研究生陳哲為該工作的共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省的支持。

    文章鏈接:

    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.030506

     


    (中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創新研究院、科研部)


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