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高斯态不同类型量子关联的判定实现指向性量子隐形传态

 作为量子力学显著区别于经典力学最奇特的特征,量子纠缠不仅具有重要的理论意义, 也是量子密码、量子通信、量子计算和量子测量等技术的重要资源,对这方面的研究已经成为国际科技界激烈竞争的焦点。随着研究的深入和理论及应用的需要,人们发现两个体系之间的非经典关联具有不同的表现形式,比如:对其中一个体系测量会瞬间影响远处另一个体系量子状态的具有非定域性的量子引导关联(quantum steering),表现为量子态不可分性质的纠缠(entanglement),以及虽然量子态可分不具有纠缠特性但依然由于量子测量会引起体系互信息改变的量子失协(discord)等,它们都具有超越经典信息处理的优势,分别在不同的量子任务中起着核心的作用。如何刻画与量化不同类型的非经典关联是量子信息论的重要课题之一,深入研究这些复杂的量子关联,合理使用其特有的形式和性质,将为量子系统在未来技术中的各种新奇应用开辟道路。

 北京大学“介观光学与飞秒光物理”创新研究群体何琼毅研究员和龚旗煌教授的最新研究表明,针对实验广泛关注的双模高斯态,可以给出不同类别量子关联的统一实验判定依据和度量标准,为后续实验提供简单有效的检测依据。这一研究成果由北京大学作为第一单位与斯威本大学合作完成,发表在2015年2月的《物理评论快报》上【He et al., Classifying directional quantum steering, entanglement, and discord in two-mode Gaussian system, Phys. Rev. Lett. 114, 060402 (2015)】。以双模高斯态两个子体系的纯度为变量,通过探测一个简单的EPR参数,根据不同阈值,可以判定具有方向性的entanglement、EPR steering、discord等不同类型非经典关联的存在区域,并且可以根据参数的大小度量纠缠程度和量子引导能力。由于判据中包含的位置(振幅)和动量(位相)算符是实际高斯物理系统的自然可观测量,可以在连续变量光学系统中观测到,这为未来实验通过调节经典信道参数实现具有方向性的量子隐形传态等应用方案提供了可能性,如图1所示。

图 1.优化实验参数g,实现方向性A—>B或B—>A的量子纠缠、量子引导关联,以及量子失协,进而实现从Alice到Bob或者从Bob到Alice的量子隐形传态或者其他量子通讯任务。

  这是群体成员在量子关联的判定和检测研究工作中取得的又一个重要进展。近期的研究成果还包括:理论给出了真正多体量子引导关联的实验检测判据【Physical Review Letters, 111 250403 (2013)】,并基于此提出多方量子保密通信方案,与国际实验小组合作利用连续变量光学系统完成了实验检验【Nature Physics 11, 167-172 (2015) DOI:10.1038/nphys3202】。

 该研究工作得到国家自然科学基金委、人工微结构和介观物理国家重点实验室及量子物质2011科学协同创新中心的支持。

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