中國科大實現真多體非經典量子測量

中國科學技術大學郭光燦院士團隊的項國勇、侯志博研究組與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擴展到量子測量，並實驗實現了基於二維光量子行走的真三體非經典測量，用於三拷貝量子態估計任務中；實驗保真度超越最優二可分測量11個標偏。5月28日，相關研究成果在線發表於《物理評論快報》。

非經典關聯是量子世界區別於經典世界的核心特徵，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。實現非經典關聯的傳統方式是對糾纏量子態做局域測量。在多體情形下，非經典關聯具有多種形式。其中，真多體非經典關聯不能分解爲部分子系統之間的關聯，是多體量子系統中最強的關聯，因而備受關注。真多體糾纏量子態能夠展現出真多體非經典關聯，並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，非經典關聯也可以存在於量子測量中。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之間不存在任何關聯。這種超越可分測量的信息提取能力只能來源於量子測量中的非經典關聯。目前國際上已經實驗實現了兩拷貝集體測量，驗證了兩體非經典測量可以展現比可分測量更強的信息提取能力。但是相比於量子態中的真多體關聯，如何判斷一個測量是否具備真三體非經典關聯尚不清楚，之前實驗上也沒有實現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發展了兩拷貝集體測量技術和自適應兩拷貝集體測量技術。在此基礎上，研究團隊進一步採用九步二維光量子行走，通過精心設計30個控制算符，最終實現了最優真三拷貝集體測量，並將其用於量子態估計任務中，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了真三體量子測量。

此外，該工作首次建立了真三體非經典量子測量理論，並發展了基於信息提取能力判斷真三體非經典量子測量的方法。然後研究人員將兩拷貝集體測量技術進一步發展形成真三拷貝集體測量技術，並通過量子態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。

研究人員介紹，該工作首次展現了量子測量中的真多體非經典關聯，增進了人們對真多體非經典關聯的認識，併爲進一步探索真多體量子測量的應用和潛力奠定了基礎。（記者 汪喬）