北理工在量子驗證研究領域取得重要進展

發(fā)布日期：2021-03-05 供稿：物理學院

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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，提出了基于非破壞測量的新的量子驗證協(xié)議。該協(xié)議不僅可以達到最優(yōu)的驗證效率，而且可以實現(xiàn)保真度估計和態(tài)制備等其它任務。同時該協(xié)議的測量順序是任意的，因而便于實驗實現(xiàn)。相關研究成果發(fā)表在國際頂級期刊《物理評論快報》上。

量子驗證是一種優(yōu)秀的量子系統(tǒng)表征協(xié)議，它可以高效的判斷諸如量子態(tài)的保真度是否在我們所需要的閾值之內(nèi)等任務。相比于量子層析和直接保真度估計等傳統(tǒng)的表征方法，量子驗證基于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(tǒng)表征任務中極具優(yōu)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(tài)的驗證的研究中，我們首次給出了可操作的對于驗證協(xié)議的數(shù)值優(yōu)化算法，并據(jù)此得到了最優(yōu)的兩體糾纏態(tài)驗證協(xié)議，該研究還展現(xiàn)了自適應測量技術對于提高量子驗證效率的優(yōu)勢[npj Quantum Inf. 5, 112 (2019)]。基于這一點，我們利用自適應測量首次實現(xiàn)了對于復雜多體糾纏態(tài)Dicke態(tài)的有效驗證，并據(jù)此給出了非自適應測量的協(xié)議，證明了自適應測量和非自適應測量協(xié)議之間的一般性關系[Phys. Rev. Applied 12, 044020 (2019)]。同時，我們還將量子態(tài)驗證推廣到了量子過程驗證，實現(xiàn)了對于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(fā)現(xiàn)基于原有的協(xié)議框架，量子驗證存在幾個方面的問題。第一，對于任意量子態(tài)的最優(yōu)效率的驗證協(xié)議一般而言總是很難給出的。第二，原有的量子驗證協(xié)議是對多組測量設置的概率性測量，直接實現(xiàn)存在困難。實驗上是通過以固定的順序?qū)γ總€測量設置進行多次測量，這種技術上的妥協(xié)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(tài)在驗證之后已經(jīng)被破壞了，因此就不能用于后續(xù)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(tài)被破壞的問題。基于非破壞測量，我們將原來概率性測量的驗證協(xié)議框架改為了對于量子態(tài)進行多組不同測量設置的連續(xù)測量。我們證明這樣的連續(xù)非破壞測量驗證協(xié)議總能實現(xiàn)最優(yōu)的測量效率，這樣對于量子驗證的研究就可以將目光只聚焦于測量設置上了。在這一證明中，我們還發(fā)現(xiàn)這樣效率最優(yōu)的連續(xù)測量與各個測量設置的測量順序是無關的，因此非常易于實驗的構建。進一步，我們的測量協(xié)議不僅是保護了被驗證的目標態(tài)不受破壞，甚至可以將未知的非目標態(tài)以一定的概率直接投影至目標態(tài)，這個概率等于未知態(tài)與目標態(tài)之間的保真度。因此，該協(xié)議還可以用于保真度估計和態(tài)制備等任務。隨著量子技術的發(fā)展，非破壞測量已經(jīng)在許多平臺上實現(xiàn)，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(xié)議的各種特性與優(yōu)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(fā)計劃，以及北京理工大學青年教師學術啟動計劃的支持。

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

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

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

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