中國科大在量子糾纏的研究中取得重要進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郁司夏、孫亮亮、周祥與安徽大學(xué)許振朋、隆德大學(xué)Armin Tavakoli等合作，在量子糾纏的研究中取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)原本只是探測(cè)糾纏有無的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用來估計(jì)糾纏大小。團(tuán)隊(duì)利用常用糾纏目擊者(Entanglement witness)的平均值，在三類常見的實(shí)驗(yàn)條件下，即器件完全可信（Trusted Device）、測(cè)量裝置不可信 (Measurement-Device-Independent)、實(shí)驗(yàn)裝置完全不可信 (Device Independent)，給出幾乎所有常用糾纏度量下限的估計(jì)，將探測(cè)糾纏的實(shí)驗(yàn)零代價(jià)地提升成為估計(jì)糾纏的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)成果近日已在線發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

量子糾纏是量子理論的基礎(chǔ)概念和量子信息中的核心資源，量子糾纏研究的兩大基本任務(wù)是糾纏的檢測(cè)和度量。在實(shí)驗(yàn)中，有效的探測(cè)和估計(jì)糾纏是完成多種信息任務(wù)的先決條件，特別是糾纏的大小估計(jì)，決定了糾纏這一珍貴資源的使用。糾纏目擊者簡言之就是這樣一個(gè)可觀測(cè)量，當(dāng)其平均值小于某個(gè)閾值時(shí)，就可以確定系統(tǒng)糾纏的存在，而任何給定糾纏態(tài)都可以被某個(gè)恰當(dāng)?shù)募m纏目擊者所探測(cè)到。糾纏目擊者以其要求簡單且探測(cè)能力強(qiáng)，成為實(shí)驗(yàn)上探測(cè)糾纏的首選工具，被應(yīng)用于多種實(shí)驗(yàn)情形下，如器件可信、測(cè)量裝置不可信、和實(shí)驗(yàn)裝置完全不可信的實(shí)驗(yàn)條件下。但令人遺憾的是，迄今為止，所有的糾纏目擊者通常只是用來探測(cè)糾纏的有無，在糾纏的大小估計(jì)方面保持沉默。

研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是糾纏目擊者可以被適當(dāng)?shù)貧w一化成一種距離，這種距離能刻畫在同樣的測(cè)量下，給定量子態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和可分態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的可區(qū)分度，而這可區(qū)分度居于量化糾纏的核心，可以和各種常見的糾纏度量聯(lián)系起來。在器件完全可信條件下，歸一化的糾纏目擊者刻畫了給定狀態(tài)和可分態(tài)的最佳可區(qū)分度，而在實(shí)驗(yàn)裝置完全不可信的條件下，歸一化的糾纏目擊者刻畫了給定狀態(tài)產(chǎn)生的量子關(guān)聯(lián)與可分態(tài)所產(chǎn)生局域關(guān)聯(lián)的最佳可區(qū)分度。在測(cè)量裝置不可信的實(shí)驗(yàn)條件下，糾纏目擊者也可類似的歸一化。最終，無論實(shí)驗(yàn)采用何種實(shí)驗(yàn)條件下的糾纏目擊者，只要能探測(cè)到糾纏，實(shí)驗(yàn)者就能夠根據(jù)糾纏目擊者的平均值計(jì)算出各種糾纏度量的下界，糾纏目擊者不再沉默。對(duì)于多體系統(tǒng)，歸一化的糾纏目擊者也可用于估計(jì)糾纏深度，即系統(tǒng)至少有多少個(gè)粒子是糾纏在一起的。在粒子數(shù)趨近無窮的漸進(jìn)條件下，該方法對(duì)某些系統(tǒng)給出基于跡距離的糾纏度量的下界是嚴(yán)格的，即給出準(zhǔn)確的糾纏大小。

審稿人對(duì)該團(tuán)隊(duì)提出的方法給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為其“以全面的方式解決了一個(gè)重要的問題，使得糾纏實(shí)驗(yàn)觸及到了眾多糾纏度量。”

本研究論文的第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任副研究員孫亮亮。郁司夏教授，許振朋教授和Armin Tavakoli教授為共同通訊作者。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.110204