中国科大首次实现了任意量子时序关联的选择性测量

　　中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室彭新华研究组以及喷鼻港中文年夜学刘仁保研究组互助，正在开放量子多系统统时序联系关系的高精度丈量方面取患了重要进展，哄骗可控物理历程合成的量子通道，提出了一种抉择性地丈量开放量子多系统统中肆意类型时序联系关系的实践方案，并初次正在核自旋系统中胜利探测了四阶量子时序联系关系。相干研究结果于2024年5月16日以“Selective Detection of Dynamics-Complete Set of Correlations via Quantum Channels”为题正在线颁发于国际学术期刊《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 132, 200802 (2024)]。

　　物理量之间的联系关系关于多系统统的懂得和量子技能的成长相当重要。为了周全形容一个物理体系的能源学，需求体系中一切的时序联系关系信息，即一套能源学完整的时序联系关系调集。关于量子多系统统而言，物理量（算符）的非对易性给量子联系关系带来了各类各样庞大的没有等价情势。然而，以后的丈量方案只能提取少数特殊情势的时序联系关系信息，到今朝为止尚未一种体系的、可行的方案来提取能源学完整调集中一切类型的时序联系关系信息。2019年，喷鼻港中文年夜学刘仁保传授曾提出了基于持续弱丈量的肆意量子时序联系关系丈量方案[Phys. Rev. Lett. 123, 050603 (2019)]。然而基于持续弱丈量要领随同着丈量次数普及，高阶量子联系关系旌旗灯号的信噪比急剧降落，实在验完成难度很年夜。是以，怎样体系性、抉择性地丈量能源学完整的肆意量子时序联系关系不断是一个具备应战性的迷信问题。

　　图：(a)量子多系统统的能源学演变衍生出各类情势的量子时序联系关系。(b)肆意N阶量子时序联系关系抉择性丈量的量子路线。(c)四阶量子联系关系的试验丈量。(d)基于高阶量子时序联系关系的量子优化节制的数值摹拟。

　　为相识决上述应战，彭新华研究组以及刘仁保研究组互助，立异性地提出了基于可控物理历程合成量子通道的肆意类型量子时序联系关系抉择性丈量和谈，见图(a)以及(b)。该和谈不只极年夜水平晋升了高阶量子联系关系的丈量信噪比，升高了试验完成的难度，并且合用于更普遍的试验系统，包含单自旋以及系综量子系统。哄骗核磁共振高精器量子节制，该事情正在多自旋系统上试验验证了该丈量和谈的可行性，初次胜利丈量了量子多系统统中的四阶量子时序联系关系，见图(c)。进一步，该事情将试验得到的高阶量子联系关系信息使用于高精器量子优化节制使命中。图(d)中展示的数值摹拟成果标明，关于单自旋量子门（如Pauli-X门），相比于以往只哄骗二阶量子联系关系信息的优化要领，当优化节制中思量四阶量子联系关系批改后，可将量子门保真度从99.987%晋升到99.99996%。

　　该事情正在量子信息以及量子多体物理范畴具备潜正在的使用价值。一方面，对量子热库中一切量子时序联系关系信息的彻底提取供给了一种完备表征量子噪声的要领，这对量子信息技能（如量子节制以及量子紧密丈量等）很是重要。另外一方面，因为量子多系统统的能源学举动可以逐阶分化为成各类量子时序联系关系的叠加，对肆意量子时序联系关系的准确丈量有助于咱们更好地表征以及懂得量子多系统统非均衡态性子。将来标的目的拟经由过程缓解退相关效应以及哄骗量子资本（如纠缠以及压缩）进一步普及丈量量子时序联系关系的信噪比以及频谱辨别率等。审稿人对该事情赐与了高度评估：“It's asignificant addition to the field of quantum metrology, offeringinsights into quantum systems dynamics.”(这是量子器量范畴的一项重要增补，供给了量子体系能源学的洞察要领)。

　　中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室吴泽博士后、北京师范年夜学珠海校区王评副研究员为论文的配合第一作者，彭新华传授以及刘仁保传授为论文的配合通信作者。该研究获得了科技部、国度天然迷信基金委、安徽省、新基石迷信基金会等赞助。

　　论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.200802