中国科大量子测量取得重要进展：首次使用纠缠测量将热力学系统反作用极小化

11 月 24 日消息 来自中国科大的消息显示，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、项国勇研究组与德国、意大利以及瑞士的理论物理学者合作，在光子系统中首次实验使用纠缠集体测量将量子比特热力学系统中投影测量的反作用降至最小。

据了解，对演化的相干量子系统上的一个可观测量进行两次投影测量时，第一次测量通常会改变第二次测量的统计信息，这就是所谓的测量反作用。其根源在于量子投影测量会完全破坏量子系统的量子叠加性。

▲图 1：实验原理图与实验装置图

国外研究人员指出，在不违背量子热力学的基本涨落理论的前提下，我们无法设计出一个测量方案完全避免反作用，但我们可以通过集体测量的方式来减少投影测量带来的反作用的程度。基于以上的理论结果，中国科大研究团队于 2019 年首次在实验上利用量子集体测量成功观测到测量反作用力的减小。

先前的工作所使用的集体测量均为可分离量子集体测量，那么是否存在纠缠的集体测量超越我们已经实现的反作用减少程度呢？

中国科大研究团队就两比特情形下，对最优化的集体测量形式进行了深入的研究，他们发现在理论上存在一个最优的纠缠集体测量，能在两比特系统中使反作用达到最小，并且在强相干演化的情形下，其反作用可被压制为 0。

▲图 2：实验结果。对不同初始量子态和演化过程，利用纠缠集体测量实现反作用力的减小。

基于这一研究发现，他们利用单光子的多个自由度结合光量子行走的实验技术，设计并以高达 0.985 的保真度实现了该纠缠测量，成功地在实验上把投影测量反作用降至最小。

据悉，相关研究成果于 2020 年 11 月 16 日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。审稿人称，“该实验执行得很好，实验结果与理想实现的预期非常接近。总的来说，我发现这篇文章是对量子反作用这一主题的一个非常吸引人的贡献，是新理论和完美实验实现的成功结合”，“这项工作是该领域的一项重大进展”，该工作对集体测量以及量子热力学的研究具有重要意义。

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