我校郭光燦院士團(tuán)隊在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊李傳鋒、黃運鋒研究組與澳大利亞合作者首次實驗驗證了量子導(dǎo)引橢球，并檢驗了其體積單配性。該項研究成果2019年2月22日發(fā)表在國際權(quán)威物理學(xué)期刊《物理評論快報》上。
量子導(dǎo)引（steering）的概念最早由薛定諤提出，它描述了兩個觀測者Alice和Bob共享一個量子糾纏態(tài)時，Alice對其量子比特做測量可以將Bob的量子比特制備到任意想要的量子態(tài)上。量子非局域性是量子系統(tǒng)獨有的特性，而量子導(dǎo)引則是目前被廣泛研究的一類量子非局域性。
在共享的量子態(tài)不理想，或者多方共享量子態(tài)的情況下，Alice將不能將Bob的系統(tǒng)導(dǎo)引到任意的量子態(tài)上。此時Alice所能導(dǎo)引Bob的量子態(tài)的集合在Bloch表示下將構(gòu)成一個橢球。我們知道單比特量子態(tài)可以可視化地表示為Bloch球中的一個矢量，而量子導(dǎo)引橢球則為兩比特量子態(tài)提供了一個簡單的可視化表示方法。在多方共享量子態(tài)的情況下，量子導(dǎo)引橢球具有體積單配性。例如Alice, Bob和Charlie共享一個三比特糾纏純態(tài)，則Alice導(dǎo)引Bob和Alice導(dǎo)引Charlie的橢球體積存在一個簡潔的單配關(guān)系，即改變參數(shù)使一個導(dǎo)引橢球的體積變大時，另一個導(dǎo)引橢球的體積則會變小。
李傳鋒研究組通過巧妙設(shè)計實驗光路，在光學(xué)系統(tǒng)中制備出參數(shù)可調(diào)的三比特量子糾纏態(tài)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)可以制備出不同類型的糾纏態(tài)，是驗證量子導(dǎo)引橢球及檢驗其體積單配性的理想平臺。實驗中，研究組利用光子的偏振和路徑自由度制備出了高純度（~99%）高計數(shù)率（6000/s）的三比特糾纏純態(tài)，實驗驗證了糾纏純態(tài)的導(dǎo)引橢球體積的單配性。研究組進(jìn)一步制備出三比特混態(tài)，實驗證實利用混態(tài)可以大幅度違背純態(tài)的體積單配關(guān)系，即純態(tài)的體積單配關(guān)系對混態(tài)不再適用。并驗證混態(tài)仍然滿足理論合作者提出的更弱的體積單配關(guān)系。
由于橢球的體積不依賴于參考系的選擇，所以本工作不僅加深了人們對量子導(dǎo)引這一非局域性的理解，也為量子導(dǎo)引橢球作為一種參考系無關(guān)的量子關(guān)聯(lián)診斷工具打下重要基礎(chǔ)。
不同三比特糾纏態(tài)量子導(dǎo)引橢球的測量結(jié)果，驗證量子導(dǎo)引橢球體積單配性
該論文第一作者是中科院量子信息重點實驗室博士后張超。上述研究得到科技部、國家基金委、中國科學(xué)院和安徽省的支持。
附文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.070402
（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(chuàng)新研究院、科研部）
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