中国科大实验实现量子相干性蒸馏,中国科大实现两类不同量子资源间的相互循环转化

量子相干性(quantumcoherence)作为一种对量子叠加性的量化,是量子物理与量子信息的核心所在,在各种量子任务(如量子计算、量子通讯等)中具有重要应用。近年来,随着对量子相干性度量的严格定义的提出,量子相干性已经被看作一种量子资源,对它的蒸馏提取与操控成为一个研究热点。最近的理论工作[Phys.Rev.Lett.116,070402]研究了量子相干性在两体量子系统Alice与Bob中的转化问题。此任务是在局域量子-非相干操作以及经典通讯的协议(Local
Quantum-Incoherent Operation and Classical
Communication,LQICC)下,研究人员只能对Bob进行局域非相干操作,而对辅助系统Alice可以做任意的局域操作,Alice和Bob可以进行经典通讯,最终使Bob系统中量子相干性最大化。该理论工作给出了一个普适的最优解,即基于辅助量子系统Alice实现对Bob系统的量子相干性蒸馏。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿带领的研究团队,在量子资源研究中取得进展,该研究团队李传锋、项国勇研究组与新加坡南洋理工大学、北京大学、清华大学合作,提出量子相干性(quantum
coherence)与量子关联(quantum
correlation)之间的循环转化方法,并在光子系统中实验验证了该方案。8月2日,相关研究成果在线发表在《物理评论快报》上。

近日,中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在量子相干性实验研究方面取得进展,实验室李传锋、项国勇研究组首次实验实现了基于辅助比特的量子相干性蒸馏。该研究成果在线发表在最近一期的美国光学协会旗下杂志Optica上。

研究人员将两个不相关的过程结合起来,理论上提出了在上述两个协议下实现量子相干性和量子关联之间无损失循环转化的线路图。考虑一个两体系统A和B,B是一个非相干的附属粒子。在量子相干性到量子关联的转化中,通过一个两体的非相干量子操作使A上的量子相干性完全转化到A与B之间的量子关联上。在量子关联到量子相干性的转化中,通过对B的投影测量加上对A的非相干量子操作,使A的量子相干性最大化。科研人员设计光学实验实现了一次循环转化的过程。实验中初始A粒子的相干性有86%被转化成量子关联,完成第二步,即A与B之间的量子关联再次转化成A粒子的相干性后,A粒子的相干性为初始时相干性的80%。该实验完整展示了量子相干性和量子关联两种量子资源之间的循环转化。

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论线路图与实验光路图

李传锋、项国勇等设计了上述理论的实验实现方案,研究了两量子比特系统分别为纯态和混态时量子相干性的最优提取问题。实验对两类不同的纯态以及Werner态进行了研究,在LQICC协议下对辅助比特Alice进行了最优的投影测量,根据测量结果对Bob进行相应的非相干操作,实现了单一拷贝情况下对Bob的相干性的最大化提取。实验结果表明,对纯态系统,可以达到理论上对Bob系统量子相干性的最优提取;而对混态系统,可以实现对量子相干性的蒸馏并且比对量子纠缠的蒸馏要求要低。

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该工作首次实验实现了基于辅助比特的量子相干性蒸馏,该成果在远程量子信息处理及量子控制中有重要应用。

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量子相干性蒸馏实验装置图

不同物理资源之间转换是物理学研究的重要内容之一。最著名的例子是由热能转换成动能的蒸汽机的发明。在量子信息领域中,量子资源(量子关联,量子相干性等)不仅对量子力学基本问题的研究有着极其重要的作用,而且在各种量子任务中也扮演着不可或缺的角色。量子相干性是量子系统区别于经典系统的根源。近年来,如何量化和操控量子相干性作为量子资源理论的研究取得进展。量子关联则是比量子纠缠更基本的量,量子纠缠是量子关联的一部分。作为两种重要的量子资源,量子相干性和量子关联之间能不能相互转化,以及如何转化等问题近两年受到广泛关注。最近的两篇理论工作分别提出如何在只允许非相干操作(incoherent
operation)的情况下将量子相干性转化成量子关联,以及在只允许局域量子-非相干操作及经典通讯(Local
quantum-incoherent operation and classical
communications)的情况下将两体系统的量子关联最大化转化到其中一体的相干性。

量子相干性蒸馏实验结果

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论文的共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士生吴康达和博士后侯志博,该工作得到国家基金委、科技部、教育部和中科院的支持。

实验结果图

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论文第一作者为实验室博士生吴康达,通讯作者为项国勇和新加坡南洋理工大学教授Mile
Gu。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部,以及新加坡国家研究基金的支持。

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