中國科大首次利用糾纏測量實現(xiàn)量子定向

中科大郭光燦院士團隊在量子定向研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、項國勇研究組與復(fù)旦大學朱黃俊和北京理工大學尚江偉合作，基于量子糾纏測量技術(shù)實驗實現(xiàn)了高效的量子定向。該研究成果于2月13日在線發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

量子定向任務(wù)是指發(fā)送者Alice利用量子資源把空間中的某個任意方向發(fā)送給接收者Bob，它在定位導(dǎo)航等領(lǐng)域具有重要用途。一個簡單的量子定向方案是Alice發(fā)送帶自旋的粒子給Bob，粒子自旋的指向就是要發(fā)送的方向。早在1999年，瑞士日內(nèi)瓦大學的Nicolas Gisin教授發(fā)現(xiàn)使用兩個自旋粒子進行量子定向時會有新奇的現(xiàn)象出現(xiàn)。Alice用兩個自旋粒子編碼一個方向可以有兩種編碼方式，即自旋平行編碼和反平行編碼。研究發(fā)現(xiàn)Bob利用經(jīng)典的局域測量方法進行信息提取時，反平行編碼和平行編碼方式的信息傳輸效率相同，而Bob采用量子測量方法時，反平行編碼效率更高。Alice的兩種編碼方式中量子態(tài)都沒有糾纏，因此該異?，F(xiàn)象來自于Bob解碼方向信息的量子測量中存在量子糾纏。由于量子糾纏測量難以實現(xiàn)，二十年來尚沒有可靠的實驗檢驗這一量子定向方案。

量子糾纏特性既可以存在于量子態(tài)中，也可以存在于量子測量中。量子糾纏態(tài)已廣為人知，它可用于量子通信和量子計算等過程。量子糾纏測量方向的實驗研究才剛起步。近年來項國勇等人發(fā)展了基于光子量子行走的量子糾纏測量技術(shù)，該技術(shù)具有保真度高和無需后選擇的優(yōu)點。他們采用該技術(shù)提高了量子態(tài)測量精度[Nature Communications 9,1414(2018)]，減少了量子熱力學中量子測量的反作用力[Science Advances 5,3(2019)]。最近他們將該技術(shù)應(yīng)用到量子定向的研究中。

項國勇等人巧妙地利用單個光子的偏振和路徑實現(xiàn)兩個自旋比特，利用半波片即可實現(xiàn)自旋的平行編碼和反平行編碼。然后借助光子量子行走確定性的實現(xiàn)了平行編碼和反平行編碼下量子態(tài)的最優(yōu)糾纏測量。實驗結(jié)果證實在量子定向任務(wù)中量子糾纏測量比局域測量具有更高信息提取效率，而且反平行編碼的平均保真度相對于平行編碼的平均保真度有3.9%的提升。

圖1 量子定向任務(wù)示意圖和量子糾纏測量的實現(xiàn)裝置

圖2 量子定向的保真度的實驗結(jié)果。(a)量子糾纏測量(b)可分測量

該工作在實驗上揭示了一種由量子測量中的糾纏引起的非經(jīng)典現(xiàn)象，同時也提供了一套在光子系統(tǒng)中實現(xiàn)確定性糾纏測量的方法。該研究有利于量子糾纏和量子測量研究的發(fā)展，在量子信息處理中有著潛在的應(yīng)用。

中科院量子信息重點實驗室博士生唐俊峰和副研究員侯志博為該論文的共同第一作者。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的支持。