中国科大首次实验实现最优量子纠缠态检验

中国科大郭光灿院士团队首次实验实现了最优效率的多光子纠缠态检验，该团队李传锋、陈耕、许小冶等人构造了一种新的纠缠态测量方法，可以快速检验出实际制备的多体纠缠态相对于目标纠缠态的保真度，测量精度达到海森堡极限，更重要的是该方法所需测试样本数不会随着纠缠态规模增大而增加。该研究成果7月17日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

量子纠缠是量子通讯和量子计算研究中重要的资源，制备高质量的纠缠态是实现众多量子信息方案的基本前提。而如何刻画这些实际纠缠态的质量是实施相关量子信息方案首先要解决的问题。传统的量子态层析方法需要进行的测量数目和后处理的计算复杂度都随纠缠体系的规模成指数增长。对于未来大规模的纠缠态测量，量子态层析已经不具备实际可操作性。为了减少所需要的测量次数，学术界提出了纠缠目击的方法来确定纠缠态的存在，但是这种方法不能定量刻画纠缠态的品质。

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最优量子纠缠态检验原理图示（以两比特为例）。

李传锋研究组构造了一组最优的测量基，使得目标态可以确定性的通过这些测量。然后随机选取这些测量基对实际制备的纠缠态进行测试。单次测试通过（输出为1）会造成失真度（度量制备的态相比目标态的失真情况，失真度越小，保真度越大）的估计值减小，而单次测试不通过（输出为-1）会造成失真度的估计值上升。在该实验中，失真度的估计值与测试样本数n成反比关系，也就是实现了1/n的海森堡极限测量精度，这是量子力学所能允许的极限。而通常的量子态测量方法只能实现1/√n的标准量子极限测量精度。这意味着该工作实现了最优效率的纠缠态检验，更重要的是该方法所需要的测试样本数并不随着纠缠态规模增大而增加。

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对四光子纠缠态检验的结果比较。最优量子纠缠态检验方法2500次
测量和量子态层析方法45000次测量所达到的精度相当。

利用最优量子纠缠态检验方法，研究组对两光子和四光子纠缠态分别进行了检验。其中对于四光子的纠缠态，实验中利用了9个测量装置和大约2500次测量即精确表征了实际态的失真度。作为比较，量子态层析方法要达到相同的测量精度，需要使用81个测量装置和45000次测量。最优量子纠缠态检验方法对大规模量子通信和量子计算网络具有重要意义。
中科院量子信息重点实验室博士后张文豪，特任副研究员张超，博士研究生陈哲为该工作的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和安徽省的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.0305

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