中國科大實現(xiàn)量子演化與其反向演化的相干疊加

我校郭光燦院士團隊在量子信息基礎(chǔ)研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、柳必恒研究組與香港大學(xué)GiulioChiribella教授合作，在光學(xué)系統(tǒng)中構(gòu)造了量子演化與其反向演化的相干疊加，并證實其在量子信道識別方面的優(yōu)勢，該成果4月16日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。

在日常生活中，時間確定地從過去流向未來的觀念深入人心。然而，支配微觀世界物體運動的物理定律并沒有特意區(qū)分時間的方向性。更具體來說，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)的基本運動方程均是可逆的，改變一個動力學(xué)過程的時間坐標(biāo)系方向（可能需要一起改變其他某些參數(shù)的方向）仍然構(gòu)成一個有效的演化過程。這被稱為時間反演對稱性，或者更準(zhǔn)確地叫做運動反演對稱性。例如，波函數(shù)ψ(x,t)是某個薛定諤方程的解，則其時間反演的復(fù)共軛ψ?(x,?t)也同樣滿足該薛定諤方程。在量子信息科學(xué)中，時間（運動）反演因其在多時間點量子態(tài)、閉合時間曲線模擬、未知量子演化反轉(zhuǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用而備受關(guān)注。

然而，時間反演在實驗上難以實現(xiàn)。研究組將其延伸到量子設(shè)備輸入輸出反轉(zhuǎn)，在光學(xué)系統(tǒng)中構(gòu)造了一類量子演化過程，當(dāng)交換該演化的量子設(shè)備輸入輸出端口時，所得演化滿足初始演化的時間反演的特性，從而得到了量子演化的時間反演模擬器。在此基礎(chǔ)上，他們進一步對演化時間方向進行量子化，實現(xiàn)了上述量子演化和其反向演化的相干疊加，并利用量子目擊技術(shù)實現(xiàn)了對該結(jié)構(gòu)的刻畫。相比演化時間方向確定的情形，對時間方向的量子化在量子信道識別中具有顯著優(yōu)勢。實驗中，研究組利用該裝置以99.6%的成功概率區(qū)分了兩組量子信道，而在相同資源消耗情況下，時間方向確定的策略成功概率最大只有89%。

圖1 實驗原理圖。

(a)量子裝置A端輸入B端輸出，演化方向從A到B；(b)演化方向從B到A；(c)兩種演化方向相干疊加；(d)引入輔助比特進行實驗實現(xiàn)。

圖2 實現(xiàn)量子演化與其反向演化相干疊加的實驗裝置圖。