北理工物理學(xué)院張向東教授課題組和信息學(xué)院孫厚軍教授課題組合作研究取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-04-15 供稿：物理學(xué)院
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日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組和信息與電子學(xué)院孫厚軍教授課題組合作在微波信號(hào)處理和拓?fù)浼m纏熵研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《Nature Communications》(Vol.10, 1557 (2019))和《Optics Express》(Vol. 27, 436-460 (2019))等重要期刊上。在拓?fù)浼m纏熵研究方面得到了北京師范大學(xué)物理系寇謖鵬教授和北京理工大學(xué)物理學(xué)院劉玉龍博士的幫助。
圖1 經(jīng)典微波和電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CMGS
在微波信號(hào)處理方面，現(xiàn)有信息處理技術(shù)是基于傳統(tǒng)的經(jīng)典理論發(fā)展起來(lái)的。隨著社會(huì)發(fā)展和大數(shù)據(jù)處理需求，信息處理慢的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)。與經(jīng)典信息處理方式相比，以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的量子信息處理技術(shù)展現(xiàn)出了強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。然而其實(shí)現(xiàn)需建立在特殊的量子環(huán)境下才能完成。在這樣的環(huán)境下由于容易受到退相干和可擴(kuò)展性影響，嚴(yán)重制約了其走向?qū)嵱没?/p>
最近兩個(gè)課題組密切合作，基于經(jīng)典微波和電路（如圖1所示）構(gòu)造出了經(jīng)典微波圖態(tài)（classical microwave graph state，縮寫為CMGS)，并證明其擁有與量子圖態(tài)類似的特性。基于這樣的圖態(tài)，完成了幺正變換和量子搜索算法，演示出了與one-way量子計(jì)算相類似的功能。相關(guān)工作發(fā)表在《Optics Express》(Vol. 27, 436-460 (2019))上。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士生張?jiān)姾馈⑿畔⑴c電子學(xué)院博士生張毅以及物理學(xué)院孫亦凡博士為論文共同第一作者。
圖2 量子最小熵態(tài)的描述
在上述微波信號(hào)處理研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了拓?fù)浼m纏熵方面的研究。拓?fù)浼m纏熵是由Kitaev和文小剛十幾年前在研究拓?fù)湫蚣m纏特性時(shí)提出的一個(gè)物理量。它是能展現(xiàn)出許多新奇物理特性的獨(dú)特物態(tài)，具有長(zhǎng)程糾纏特性是其重要特征之一。雖然理論研究顯示拓?fù)浼m纏熵能很好刻畫拓?fù)湫蚣捌溟L(zhǎng)程糾纏特性，然而一直沒(méi)能得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
日前，課題組建議一種實(shí)驗(yàn)方案：基于最小熵態(tài)（minimum entropy states）研究拓?fù)浼m纏熵。最小熵態(tài)是可用于觀察拓?fù)湫虻囊环N多qubit糾纏態(tài)（如圖2所示）。通常的做法應(yīng)該是：在量子多體系統(tǒng)構(gòu)建多粒子糾纏態(tài)（量子最小熵態(tài)），然后基于純量子信息處理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。然而，按這種方式執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)起來(lái)是非常困難的。原因是要想觀察到拓?fù)浼m纏熵需要多粒子糾纏態(tài)的fidelity至少達(dá)到90%以上，而目前在IBM量子計(jì)算機(jī)平臺(tái)上構(gòu)建的12-qubit糾纏態(tài)fidelity少于44%。
圖3 拓?fù)浼m纏熵實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果對(duì)比
圖4 實(shí)驗(yàn)觀察Z2拓?fù)湎嗟酵負(fù)淦接瓜嗟霓D(zhuǎn)變
課題組基于經(jīng)典微波和電路構(gòu)造出了經(jīng)典最小熵態(tài)(CMES)，其構(gòu)造方式與上述經(jīng)典微波圖態(tài)的構(gòu)造方式類似。課題組發(fā)現(xiàn)按這種方式構(gòu)建的CMES與量子最小熵態(tài)擁有類似的關(guān)聯(lián)特性。基于CMES，觀察到了拓?fù)浼m纏熵與尺寸的線性關(guān)系（如圖3所示），與理論預(yù)言一致。進(jìn)一步還觀察到了由Z2拓?fù)湎嗟酵負(fù)淦接瓜嗟霓D(zhuǎn)變（如圖4所示）。相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在了《Nature Communications》(Vol.10, 1557 (2019))上。北京理工大學(xué)物理學(xué)院陳天副教授和博士生張?jiān)姾罏檎撐墓餐谝蛔髡撸槐本├砉ご髮W(xué)信息與電子學(xué)院博士生張毅和北京理工大學(xué)物理學(xué)院劉玉龍博士為論文的共同作者。北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院孫厚軍教授和北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授為論文通訊作者；北京師范大學(xué)寇謖鵬教授為論文共同通訊作者。
上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09584-1；https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-2-436
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