中國科大首次實驗實現(xiàn)最優(yōu)量子糾纏態(tài)檢驗

中國科大郭光燦院士團隊首次實驗實現(xiàn)了最優(yōu)效率的多光子糾纏態(tài)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(tài)測量方法，可以快速檢驗出實際制備的多體糾纏態(tài)相對于目標糾纏態(tài)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(shù)不會隨著糾纏態(tài)規(guī)模增大而增加。該研究成果7月17日發(fā)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(zhì)量的糾纏態(tài)是實現(xiàn)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(tài)的質(zhì)量是實施相關量子信息方案首先要解決的問題。傳統(tǒng)的量子態(tài)層析方法需要進行的測量數(shù)目和后處理的計算復雜度都隨糾纏體系的規(guī)模成指數(shù)增長。對于未來大規(guī)模的糾纏態(tài)測量，量子態(tài)層析已經(jīng)不具備實際可操作性。為了減少所需要的測量次數(shù)，學術界提出了糾纏目擊的方法來確定糾纏態(tài)的存在，但是這種方法不能定量刻畫糾纏態(tài)的品質(zhì)。

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最優(yōu)量子糾纏態(tài)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(yōu)的測量基，使得目標態(tài)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(tài)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(tài)相比目標態(tài)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(shù)n成反比關系，也就是實現(xiàn)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(tài)測量方法只能實現(xiàn)1/√n的標準量子極限測量精度。這意味著該工作實現(xiàn)了最優(yōu)效率的糾纏態(tài)檢驗，更重要的是該方法所需要的測試樣本數(shù)并不隨著糾纏態(tài)規(guī)模增大而增加。

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

利用最優(yōu)量子糾纏態(tài)檢驗方法，研究組對兩光子和四光子糾纏態(tài)分別進行了檢驗。其中對于四光子的糾纏態(tài)，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(tài)的失真度。作為比較，量子態(tài)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(yōu)量子糾纏態(tài)檢驗方法對大規(guī)模量子通信和量子計算網(wǎng)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。