北理工在量子驗證研究領域取得重要進展


日前,北京理工大學物理學院張向東教授和尚江偉副研究員課題組同新加坡國立大學量子科技研究中心韓睿博士合作,在量子驗證研究領域取得重要進展,提出了基於非破壞測量的新的量子驗證協議。該協議不僅可以達到最優的驗證效率,而且可以實現保真度估計和態製備等其它任務。同時該協議的測量順序是任意的,因而便於實驗實現。相關研究成果發表在國際頂級期刊《物理評論快報》上。

量子驗證是一種優秀的量子系統表徵協議,它可以高效的判斷諸如量子態的保真度是否在我們所需要的閾值之內等任務。相比於量子層析和直接保真度估計等傳統的表徵方法,量子驗證基於精度的資源消耗從二次方降低為一次,因而在高精度的量子系統表徵任務中極具優勢。近兩年來,課題組與合作者在量子驗證領域取得了一系列重要進展。在對任意維度兩體糾纏態的驗證的研究中,我們首次給出了可操作的對於驗證協議的數值優化算法,並據此得到了最優的兩體糾纏態驗證協議,該研究還展現了自適應測量技術對於提高量子驗證效率的優勢[npj Quantum Inf. 5, 112 (2019)]。基於這一點,我們利用自適應測量首次實現了對於複雜多體糾纏態Dicke態的有效驗證,並據此給出了非自適應測量的協議,證明了自適應測量和非自適應測量協議之間的一般性關係[Phys. Rev. Applied 12, 044020 (2019)]。同時,我們還將量子態驗證推廣到了量子過程驗證,實現了對於量子門以及量子測量的有效驗證[Phys. Rev. A 101, 042315 (2020)]。

在前期的工作基礎上,我們發現基於原有的協議框架,量子驗證存在幾個方面的問題。第一,對於任意量子態的最優效率的驗證協議一般而言總是很難給出的。第二,原有的量子驗證協議是對多組測量設置的概率性測量,直接實現存在困難。實驗上是通過以固定的順序對每個測量設置進行多次測量,這種技術上的妥協就給可能的欺騙方留下了漏洞。第三,我們需要驗證的未知態在驗證之後已經被破壞了,因此就不能用於後續的任務。我們通過將非破壞測量技術引入量子驗證中,可以直接解決驗證過的量子態被破壞的問題。基於非破壞測量,我們將原來概率性測量的驗證協議框架改為了對於量子態進行多組不同測量設置的連續測量。我們證明這樣的連續非破壞測量驗證協議總能實現最優的測量效率,這樣對於量子驗證的研究就可以將目光只聚焦於測量設置上了。在這一證明中,我們還發現這樣效率最優的連續測量與各個測量設置的測量順序是無關的,因此非常易於實驗的構建。進一步,我們的測量協議不僅是保護了被驗證的目標態不受破壞,甚至可以將未知的非目標態以一定的概率直接投影至目標態,這個概率等於未知態與目標態之間的保真度。因此,該協議還可以用於保真度估計和態製備等任務。隨着量子技術的發展,非破壞測量已經在許多平台上實現,逐漸成為一種標準的技術手段,期待相應的實驗可以有效的展示出非破壞測量量子驗證協議的各種特性與優勢。

物理學院2016級博士生劉燁超為該工作的第一作者,尚江偉副研究員和張向東教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃,以及北京理工大學青年教師學術啓動計劃的支持。


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//www.nature.com/articles/s41534-019-0226-z

//journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.044020

//journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.101.042315

//journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.090504


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