中國科大利用干涉條紋實驗實現對量子相干性的直接測度

中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在量子相干性的實驗研究中取得重要進展，該實驗室李傳鋒、唐建順等人利用干涉條紋實驗實現了對量子相干性這一最基本量子資源的直接測度，為量子相干的深入研究和進一步應用於量子信息過程打下重要基礎。該研究成果1月12日發表在國際權威期刊《物理評論快報》上。

量子相干性（quantum coherence）來自於量子疊加原理，它是量子力學最為基本的特性，也是量子信息的優勢所在。對於量子相干性的研究由來已久，從最早的雙縫干涉，到量子信息興後量子相干性的各種應用及如何克服退相干問題等。以前測量量子相干性的辦法都是利用量子態掃描得到系統整個量子態密度矩陣，再根據其非對角元的大小間接地得到系統的量子相干性的信息，但是量子態掃描的過程是非常繁瑣的。近幾年，科學家們將量子相干性與量子糾纏等一起納入資源化理論框架下，確立為量子資源進行定量研究。量子相干性無疑是其中最寬泛最基本的量子資源，在某種意義上量子糾纏及其它量子資源都是以量子相干性為基礎的。這些工作為我們直接有效地測定物理系統量子相干性的大小打下理論基礎。

測度量子相干性的實驗光路圖

李傳鋒研究組基於魯棒性（robustness，抗干擾能力）和物理量直接觀測的思想，實驗實現了光子偏振的量子相干性的兩種定量測量方案。其中基於魯棒性的方案首先將一些雜質與待測系統混合，並觀測混合系統的干涉條紋；接著增加雜質的含量直至干涉條紋消失（也即相干性被損耗殆盡）；變換各種雜質重複以上過程，干涉條紋消失所需雜質的最小比值就表示了待測系統量子相干性的大小。這一結果的物理意義很淺顯，干涉條紋是量子相干性的直接表現，待測系統的量子相干性越強，魯棒性就越強，條紋就越難以消失，相應地所需混合進去的雜質比例就越大。而基於物理量直接觀測的方案則更簡單，研究組找到了光子偏振的量子相干性的觀測量，直接對其量子相干性進行觀測。研究組還進一步通過量子態掃描測出系統整個的量子態，計算出其量子相干性，然後和兩種直接測定的量子相干性相比較，結果完全一致，證明了兩種實驗方案的可靠性。

本研究成果提供了兩種直接測度量子相干性的方法，這兩種方法均滿足量子資源化理論的框架，並且相比於傳統的掃描整個量子態的方法更加簡單有效。本工作為量子相干性的深入研究以及促進其在量子信息技術中的進一步應用打下重要基礎。

文章第一作者為博士研究生王軼韜。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。

文章鏈接：

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.020403

（中科院量子信息重點實驗室、量子信息與量子科技前沿創新中心、科研部）