【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“量子院”)和中國(guó)人民大學(xué)張威和張翔團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次利用囚禁Ca+離子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)了基于非厄米系統(tǒng)的無(wú)歧義量子態(tài)分辨(圖1)。該研究成果突破了傳統(tǒng)量子態(tài)分辨的限制，為量子信息處理提供了新的技術(shù)路徑。2025年8月24日，相關(guān)成果以”unambiguous quantum state discrimination in a PT-symmetric system of a single trapped ion”為題發(fā)表于《Advanced Science》。
 

　　在量子信息處理過(guò)程中，我們經(jīng)常要對(duì)量子態(tài)進(jìn)行讀取和分辨。根據(jù)量子力學(xué)基本原理，如果一個(gè)系統(tǒng)可能處于兩個(gè)不同的量子態(tài)，而這兩個(gè)量子態(tài)不是正交的，則無(wú)法通過(guò)單個(gè)可觀測(cè)量判定系統(tǒng)究竟處于哪個(gè)狀態(tài)。為了部分解決這個(gè)困難，人們發(fā)展了最小錯(cuò)誤態(tài)分辨和無(wú)歧義態(tài)分辨等方案，但均存在各自的局限，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高成功率和低錯(cuò)誤率。這一限制直接影響了量子密鑰分發(fā)的安全性和量子測(cè)量的精度。近年來(lái)，具有耗散的非厄米系統(tǒng)展現(xiàn)出獨(dú)特的量子調(diào)控能力，為突破這一瓶頸提供了新的可能。理論研究表明，在非厄米哈密頓量的調(diào)控下，量子態(tài)的時(shí)間演化速度非均勻，兩個(gè)非正交態(tài)可以通過(guò)時(shí)間演化變?yōu)檎粦B(tài)，從而突破傳統(tǒng)量子測(cè)量的限制，實(shí)現(xiàn)無(wú)歧義的態(tài)分辨。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確調(diào)控Ca+離子能級(jí)的激光耦合與自發(fā)輻射過(guò)程，構(gòu)建了高度可控的非厄米耗散系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變耗散參數(shù)與待區(qū)分量子態(tài)之間夾角，兩個(gè)初始非正交的量子態(tài)可在特定時(shí)間演化至正交狀態(tài)，進(jìn)而通過(guò)投影測(cè)量實(shí)現(xiàn)無(wú)歧義的分辨。團(tuán)隊(duì)首次完整繪制了實(shí)現(xiàn)正交化的參數(shù)空間，確定了實(shí)現(xiàn)量子態(tài)分辨的最小和最大耗散參數(shù)邊界，并發(fā)現(xiàn)了可以實(shí)現(xiàn)最快正交的最優(yōu)哈密頓量參數(shù)(圖2)。此外，該工作還提出了基于布洛赫球幾何演化的理論框架，為理解非厄米量子動(dòng)力學(xué)提供了新視角(圖1)。
 

圖1 非正交量子態(tài)實(shí)現(xiàn)正交化的幾何圖像及實(shí)驗(yàn)?zāi)芗?jí)圖。
 

圖2 非正交量子態(tài)實(shí)現(xiàn)正交化的參數(shù)區(qū)間。
 

　　該論文第一作者為中國(guó)人民大學(xué)博士生朱晨昊和施婷婷，通訊作者為量子院兼聘/中國(guó)人民大學(xué)張威教授和張翔副教授，其他合作者還包括量子院助理研究員丁亮宇和高級(jí)工程師鄭志月等。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。