中國科大實現兩類不同量子資源間的相互循環轉化

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦帶領的研究團隊，在量子資源研究中取得進展，該研究團隊李傳鋒、項國勇研究組與新加坡南洋理工大學、北京大學、清華大學合作，提出量子相干性（quantum coherence）與量子關聯（quantum correlation）之間的循環轉化方法，並在光子系統中實驗驗證了該方案。8月2日，相關研究成果在線發表在《物理評論快報》上。

不同物理資源之間轉換是物理學研究的重要內容之一。最著名的例子是由熱能轉換成動能的蒸汽機的發明。在量子信息領域中，量子資源（量子關聯，量子相干性等）不僅對量子力學基本問題的研究有著極其重要的作用，而且在各種量子任務中也扮演著不可或缺的角色。量子相干性是量子系統區別於經典系統的根源。近年來，如何量化和操控量子相干性作為量子資源理論的研究取得進展。量子關聯則是比量子糾纏更基本的量，量子糾纏是量子關聯的一部分。作為兩種重要的量子資源，量子相干性和量子關聯之間能不能相互轉化，以及如何轉化等問題近兩年受到廣泛關注。最近的兩篇理論工作分別提出如何在只允許非相干操作（incoherent operation）的情況下將量子相干性轉化成量子關聯，以及在只允許局域量子-非相干操作及經典通訊（Local quantum-incoherent operation and classical communications）的情況下將兩體系統的量子關聯最大化轉化到其中一體的相干性。

研究人員將兩個不相關的過程結合起來，理論上提出了在上述兩個協議下實現量子相干性和量子關聯之間無損失循環轉化的線路圖。考慮一個兩體系統A和B，B是一個非相干的附屬粒子。在量子相干性到量子關聯的轉化中，通過一個兩體的非相干量子操作使A上的量子相干性完全轉化到A與B之間的量子關聯上。在量子關聯到量子相干性的轉化中，通過對B的投影測量加上對A的非相干量子操作，使A的量子相干性最大化。科研人員設計光學實驗實現了一次循環轉化的過程。實驗中初始A粒子的相干性有86%被轉化成量子關聯，完成第二步，即A與B之間的量子關聯再次轉化成A粒子的相干性後，A粒子的相干性為初始時相干性的80%。該實驗完整展示了量子相干性和量子關聯兩種量子資源之間的循環轉化。

論文第一作者為實驗室博士生吳康達，通訊作者為項國勇和新加坡南洋理工大學教授Mile Gu。研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部，以及新加坡國家研究基金的支持。

論線路圖與實驗光路圖

實驗結果圖

來源：中國科學技術大學

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