【儀表網 研發(fā)快訊】中國科大郭光燦院士團隊在真多體非經典量子測量研究中取得重要進展。該團隊項國勇、侯志博研究組和復旦大學朱黃俊研究組首次在理論上將真多體非經典性從量子態(tài)擴展到量子測量，并實驗實現(xiàn)了基于二維光量子行走的真三體非經典測量，用于三拷貝量子態(tài)估計任務中；實驗保真度超越最優(yōu)二可分測量11個標偏。相關研究成果于5月28日在線發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
 

　　非經典關聯(lián)是量子世界區(qū)別于經典世界的核心特征，是量子力學的核心基礎問題，也是很多量子信息處理任務的關鍵資源。實現(xiàn)非經典關聯(lián)的傳統(tǒng)方式是對糾纏量子態(tài)做局域測量。在多體情形下，非經典關聯(lián)具有多種形式。其中真多體非經典關聯(lián)不能分解為部分子系統(tǒng)之間的關聯(lián)，是多體量子系統(tǒng)中最強的關聯(lián)，因而備受關注。真多體糾纏量子態(tài)能夠展現(xiàn)出真多體非經典關聯(lián)，并在量子非局域性檢驗、量子網絡、量子密碼和量子精密測量中具有重要應用價值。
 

　　除了量子態(tài)，非經典關聯(lián)也可以存在于量子測量中。量子集體測量相比可分測量具有更強的信息提取能力，即使被測量子體系子系統(tǒng)之間不存在任何關聯(lián)。這種超越可分測量的信息提取能力只能來源于量子測量中的非經典關聯(lián)。目前國際上已經實驗實現(xiàn)了兩拷貝集體測量，驗證了兩體非經典測量可以展現(xiàn)比可分測量更強的信息提取能力。但是相比于量子態(tài)中的真多體關聯(lián)，如何判斷一個測量是否具備真三體非經典關聯(lián)尚不清楚，之前實驗上也沒有實現(xiàn)超越兩拷貝集體測量信息提取能力的多拷貝集體測量。
 

　　項國勇課題組在實驗上系統(tǒng)發(fā)展了兩拷貝集體測量技術[Nat.Commun.9,1(2018);Sci.Adv.5,2375(2019);PRL 124,060502(2020);PRL 125,210401(2020);PRapplied 20,044032(2023)]，和自適應兩拷貝集體測量技術[PRL 132,110801(2024)]。在此基礎上，研究團隊進一步采用九步二維光量子行走，通過精心設計30個控制算符，最終實現(xiàn)了最優(yōu)真三拷貝集體測量，并將其用于量子態(tài)估計任務中，實驗獲得的保真度比所有二可分集體測量最高保真度高11個標偏。這種前所未有的信息提取能力表明研究團隊在國際上首次實驗實現(xiàn)了真三體量子測量。
 

　　圖：左上，真三體非經典量子態(tài)到真三體非經典量子測量。右上，真三體量子測量保真度超越所有二可分測量最高保真度。下圖，基于二維光量子行走的真三體集體測量實驗光路圖。

 

　　該工作首先建立了真三體非經典量子測量理論，并發(fā)展了基于信息提取能力判斷真三體非經典量子測量的方法。然后將兩拷貝集體測量技術進一步發(fā)展形成真三拷貝集體測量技術，并通過量子態(tài)估計任務驗證了超越所有二可分量子測量的信息提取能力。該工作首次展現(xiàn)了量子測量中的真多體非經典關聯(lián)，增進了人們對真多體非經典關聯(lián)的認識，并為進一步探索真多體量子測量的應用和潛力奠定了基礎。
 

　　中國科大少年班學院本科生周楷(已畢業(yè))為論文第一作者，復旦大學博士后易昌浩為第二作者，我校項國勇教授、侯志博教授和復旦朱黃俊研究員為通訊作者。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省、中國科學院和教育部的支持。