近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子物理基礎(chǔ)研究中取得重要進(jìn)展。

全同粒子系統(tǒng)的量子相干性及其在相位通道鑒別任務(wù)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原理示意圖，圖片來自中科大

前述團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)、孫凱等人與意大利巴勒莫大學(xué)Rosario Lo Franco教授等國際合作者通過調(diào)控光子的空間不可分辨性，實(shí)現(xiàn)了量子相干性的生成，并展示了其在量子計(jì)量任務(wù)中的實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)。論文共同第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員孫凱和博士研究生劉正昊。

圖片來自PNAS

量子相干性是量子力學(xué)中最基礎(chǔ)的本質(zhì)特性，它使得量子系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)“薛定諤貓”等在經(jīng)典視角下難以理解的現(xiàn)象。1935年，理論物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤(Erwin Schr?dinger)設(shè)想了“薛定諤貓”思想實(shí)驗(yàn)，以闡述量子力學(xué)中的悖論。

如果把一只貓關(guān)在裝有放射源及有毒氣體的封閉房間里，放射源在單位時(shí)間內(nèi)有一定幾率會(huì)發(fā)生衰變。當(dāng)檢測到放射源衰變時(shí)，有毒氣體釋放，貓就會(huì)死。如果放射源沒有發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)薛定諤的想法，原子可能同時(shí)以兩種不同狀態(tài)存在，即量子疊加，如果在原子和宏觀物體間產(chǎn)生相互作用，將它們“糾纏”起來，這時(shí)宏觀物體可能處于一種奇怪的疊加態(tài)。

對(duì)于單粒子量子系統(tǒng)，量子相干性體現(xiàn)在系統(tǒng)處于計(jì)算基矢（基本量子態(tài)簡稱基本態(tài)或基矢）的疊加狀態(tài)；而對(duì)于多粒子量子系統(tǒng)，如果這些粒子是全同粒子，則即使沒有任何一個(gè)粒子處于相干疊加狀態(tài)，整個(gè)量子系統(tǒng)也可以存在相干性。這種相干性是由于全同粒子之間波函數(shù)的空間不可分辨性所導(dǎo)致的。

然而，針對(duì)基于粒子不可分辨性的量子相干資源，其實(shí)驗(yàn)研究面臨兩個(gè)問題：一是需要調(diào)控全同粒子之間的不可分辨性來生成具有不同相干度的量子資源，二是需要展示這種相干性在具體量子信息任務(wù)中的實(shí)際應(yīng)用，從而證明它是物理上可用的量子資源，而不僅僅是描述全同粒子的特定數(shù)學(xué)形式的結(jié)果。

近年來，中科大李傳鋒、許金時(shí)、孫凱等人在光學(xué)系統(tǒng)中持續(xù)開展關(guān)于全同粒子不可分辨性的實(shí)驗(yàn)研究，在前期已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于不可分辨性的量子糾纏制備及量子隱形傳態(tài)。

相干性與不可分辨性定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，插圖為相干性最大的態(tài)的密度矩陣，圖片來自中科大

此次，研究組在一個(gè)偏振–路徑混合編碼的雙光子系統(tǒng)中，發(fā)展了全同粒子波函數(shù)空間分布的按需調(diào)控技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可控的光子相干性合成器，生成的相干性最大的態(tài)的保真度達(dá)到98.8%。研究組進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一個(gè)相位鑒別任務(wù)，用來演示所生成的量子相干資源在量子計(jì)量學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于全同粒子不可分辨性的量子相干性可以提高相位鑒別的成功幾率，并且能與基于單個(gè)粒子相干疊加的相干性同時(shí)存在，因此將在具體的量子信息任務(wù)中獲得應(yīng)用。

前述工作展現(xiàn)了全同粒子的不可分辨性可以作為一種量子資源進(jìn)行物理應(yīng)用，并提供了實(shí)驗(yàn)調(diào)控不可分辨性的方法，從而為其在量子信息任務(wù)中的進(jìn)一步應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。審稿人對(duì)此評(píng)價(jià)“證明相干性與不可分辨性之間存在定量的聯(lián)系，并將其應(yīng)用于量子計(jì)量學(xué)任務(wù)中是一個(gè)重要的成果”。