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光學工程
中國科大實驗實現量子相干性蒸餾

近日,中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在量子相干性實驗研究方面取得進展,實驗室李傳鋒、項國勇研究組首次實驗實現了基于輔助比特的量子相干性蒸餾。該研究成果在線發表在最近一期的美國光學協會(OSA)旗下雜志Optica上。

量子相干性(quantum coherence)作為一種對量子疊加性的量化,是量子物理與量子信息的核心所在,在各種量子任務(如量子計算、量子通訊等)中具有重要應用。近年來,隨著對量子相干性度量的嚴格定義的提出,量子相干性已經被看作一種量子資源,對它的蒸餾提取與操控成為一個研究熱點。最近的理論工作[Phys. Rev. Lett. 116, 070402 (2016)]研究了量子相干性在兩體量子系統Alice與Bob中的轉化問題。此任務是在局域量子-非相干操作以及經典通訊的協議(Local Quantum-Incoherent Operation and Classical Communication,LQICC)下,研究人員只能對Bob進行局域非相干操作,而對輔助系統Alice可以做任意的局域操作,Alice和Bob可以進行經典通訊,最終使Bob系統中量子相干性最大化。該理論工作給出了一個普適的最優解,即基于輔助量子系統Alice實現對Bob系統的量子相干性蒸餾。

李傳鋒、項國勇等設計了上述理論的實驗實現方案,研究了兩量子比特系統分別為純態和混態時量子相干性的最優提取問題。實驗對兩類不同的純態以及Werner態(一類特殊的混合態)進行了研究,在LQICC協議下對輔助比特Alice進行了最優的投影測量,根據測量結果對Bob進行相應的非相干操作,實現了單一拷貝情況下對Bob的相干性的最大化提取。實驗結果表明,對純態系統,可以達到理論上對Bob系統量子相干性的最優提取;而對混態系統,可以實現對量子相干性的蒸餾并且比對量子糾纏的蒸餾要求要低。

該工作首次實驗實現了基于輔助比特的量子相干性蒸餾,該成果在遠程量子信息處理及量子控制中有重要應用。

論文的共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士生吳康達和博士后侯志博,該工作得到國家基金委、科技部、教育部和中科院的支持。

量子相干性蒸餾實驗裝置圖

量子相干性蒸餾實驗結果


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