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中国科大实现两类不同量子资源间的相互循环转化

2018-08-08

中国科大郭光灿院士团队在量子资源研究中取得重要进展,该团队李传锋、项国勇研究组与新加坡南洋理工大学、北京大学、清华大学的合作者提出量子相干性(quantum coherence)与量子关联(quantum correlation)之间的循环转化方法,并在光子系统中实验验证了该方案。该研究成果于8月2日在线发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。


不同物理资源之间转换一直是物理学研究的一项重要内容。其中最著名的例子就是由热能转换成动能的蒸汽机的发明。在量子信息领域中,量子资源(量子关联,量子相干性等)不仅对量子力学基本问题的研究有着极其重要的作用,而且在各种量子任务中也扮演着不可或缺的角色。量子相干性是量子系统区别于经典系统的根源。近年来,如何量化和操控量子相干性作为量子资源理论的研究取得了重要进展。量子关联则是比量子纠缠更基本的量,量子纠缠是量子关联的一部分。作为两种重要的量子资源,量子相干性和量子关联之间能不能相互转化,以及如何转化等问题近两年受到了广泛关注。最近的两篇理论工作分别提出了如何在只允许非相干操作(incoherent operation)的情况下将量子相干性转化成量子关联,以及在只允许局域量子-非相干操作及经典通讯(Local quantum-incoherent operation and classical communications)的情况下将两体系统的量子关联最大化转化到其中一体的相干性。


项国勇和MileGu等人将两个不相关的过程结合起来,理论上提出了在上述两个协议下实现量子相干性和量子关联之间无损失循环转化的线路图。考虑一个两体系统A和B,B是一个非相干的附属粒子。在量子相干性到量子关联的转化中,通过一个两体的非相干量子操作使A上的量子相干性完全转化到A与B之间的量子关联上。在量子关联到量子相干性的转化中,通过对B的投影测量加上对A的非相干量子操作,使A的量子相干性最大化。项国勇等人设计了光学实验实现了一次循环转化的过程。实验中初始A粒子的相干性有86%被转化成量子关联,完成第二步,即A与B之间的量子关联再次转化成A粒子的相干性后,A粒子的相干性为初始时相干性的80%。该实验完整展示了量子相干性和量子关联两种量子资源之间的循环转化。



论线路图与实验光路图



实验结果图


该工作得到了审稿人的高度评价,认为这是一个里程碑式的工作,会极大地促进量子相干性与量子关联的相关研究(“The theoretical contribution is an important milestone, as essentially all future work on both quantum coherence and discord needs to now compare their results with the other subfield”)。


论文的第一作者为实验室博士生吴康达,通讯作者为项国勇教授和新加坡南洋理工大学的Mile Gu教授。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部,以及新加坡国家研究基金的支持。


(来源:中国)

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