我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子信息基礎(chǔ)研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)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(shí)其在量子信道識(shí)別方面的優(yōu)勢(shì)，該成果4月16日發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

在日常生活中，時(shí)間確定地從過(guò)去流向未來(lái)的觀念深入人心。然而，支配微觀世界物體運(yùn)動(dòng)的物理定律并沒(méi)有特意區(qū)分時(shí)間的方向性。更具體來(lái)說(shuō)，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)方程均是可逆的，改變一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的時(shí)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(gè)有效的演化過(guò)程。這被稱為時(shí)間反演對(duì)稱性，或者更準(zhǔn)確地叫做運(yùn)動(dòng)反演對(duì)稱性。例如，波函數(shù)ψ(x,t)是某個(gè)薛定諤方程的解，則其時(shí)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(shí)間（運(yùn)動(dòng)）反演因其在多時(shí)間點(diǎn)量子態(tài)、閉合時(shí)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(shí)間反演在實(shí)驗(yàn)上難以實(shí)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(guò)程，當(dāng)交換該演化的量子設(shè)備輸入輸出端口時(shí)，所得演化滿足初始演化的時(shí)間反演的特性，從而得到了量子演化的時(shí)間反演模擬器。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步對(duì)演化時(shí)間方向進(jìn)行量子化，實(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)該結(jié)構(gòu)的刻畫(huà)。相比演化時(shí)間方向確定的情形，對(duì)時(shí)間方向的量子化在量子信道識(shí)別中具有顯著優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)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(shí)間方向確定的策略成功概率最大只有89%。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

圖2 實(shí)現(xiàn)量子演化與其反向演化相干疊加的實(shí)驗(yàn)裝置圖。

文章共同第一作者為量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭鈺博士和香港大學(xué)劉子旋博士。本研究得到該研究工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省的支持。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.160201

（中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）