西安交大在高維量子測(cè)量的不相容結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】西安交通大學(xué)物理學(xué)院張沛教授團(tuán)隊(duì)在高維量子測(cè)量的不相容結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進(jìn)展，在理論上揭示了高維多測(cè)量場(chǎng)景的不相容結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提出了判定不相容結(jié)構(gòu)的新方法，并基于光場(chǎng)軌道角動(dòng)量自由度搭建高維量子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種不相容結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。該研究成果11月8日發(fā)表在國(guó)際物理頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。
 

　　量子不相容揭示了量子測(cè)量中存在的非經(jīng)典性，描述了多個(gè)量子測(cè)量無(wú)法同時(shí)獲得精確信息的現(xiàn)象，被認(rèn)為是量子信息處理任務(wù)中的重要資源，在量子非局域性、量子非互易性、量子精密測(cè)量等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。一對(duì)量子測(cè)量的不相容性已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，然而，考慮到高維復(fù)雜的量子信息處理任務(wù)，其測(cè)量會(huì)出現(xiàn)部分不相容且部分可相容的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，表征和觀測(cè)其中的不相容結(jié)構(gòu)對(duì)于基礎(chǔ)量子理論具有重要意義，并在理論構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)仍具有挑戰(zhàn)。
 

　　此前，張沛教授團(tuán)隊(duì)在高維量子系統(tǒng)信息處理領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展。利用多測(cè)量設(shè)置方法揭示了高維糾纏體系中更高的量子導(dǎo)引強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)從高噪聲環(huán)境中提取高維導(dǎo)引[Phys. Rev. Lett. 128, 240402 (2022)]；提出了一種高魯棒性和高準(zhǔn)確性的EPR導(dǎo)引維度判定方法，為單方設(shè)備無(wú)關(guān)情況下對(duì)共享量子態(tài)的維度進(jìn)行可靠而準(zhǔn)確的認(rèn)證提供了有效途徑[Optica 9, 473 (2022)]；發(fā)展了新概念“真高維單向?qū)б?rdquo;以及刻畫(huà)不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)引結(jié)構(gòu)的新方法，為高維量子系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)場(chǎng)景導(dǎo)引判定以及度量提供了有效路徑[Phys. Rev. Lett. 132, 210202 (2024)]。基于以上成果，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高維多測(cè)量場(chǎng)景的不相容測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，通過(guò)發(fā)展新的判定不相容結(jié)構(gòu)的理論判據(jù)，利用光的軌道角動(dòng)量搭建高維量子制備測(cè)量場(chǎng)景，揭示了高維量子系統(tǒng)中的測(cè)量不相容結(jié)構(gòu)。
 

　　張沛教授團(tuán)隊(duì)在理論上提出了一種新方法來(lái)將高維量子系統(tǒng)中存在的復(fù)雜測(cè)量結(jié)構(gòu)分解成更基礎(chǔ)的成對(duì)可相容測(cè)量的集合，由于違背可相容結(jié)構(gòu)的測(cè)量只能展現(xiàn)出有限的噪聲抵抗能力，因此可以構(gòu)建噪聲超平面來(lái)排除特定的可相容測(cè)量結(jié)構(gòu)從而判定對(duì)應(yīng)的測(cè)量不相容結(jié)構(gòu)的存在。團(tuán)隊(duì)通過(guò)此方法給出了對(duì)稱(chēng)高維相互無(wú)偏基測(cè)量的真不相容結(jié)構(gòu)的解析邊界，非對(duì)稱(chēng)條件下任意高維測(cè)量的真不相容結(jié)構(gòu)的數(shù)值邊界。最后，團(tuán)隊(duì)基于光子軌道角動(dòng)量自由度的高維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定量子不相容結(jié)構(gòu)的捕獲。該研究工作展示了高維量子系統(tǒng)中多測(cè)量場(chǎng)景的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在高維量子信息處理任務(wù)中具有潛在的應(yīng)用前景。
 

　　西安交通大學(xué)物理學(xué)院為該論文唯一完成單位，西安交通大學(xué)23級(jí)博士生張嘯林為論文第一作者，張沛教授為論文唯一通訊作者。
 

　　近年來(lái)，張沛教授課題組開(kāi)展了高維量子糾纏、高維量子通信、高維量子測(cè)量、量子精密與光場(chǎng)調(diào)控等基礎(chǔ)研究，主要包括基于光場(chǎng)軌道角動(dòng)量自由度的高維量子糾纏態(tài)產(chǎn)生，并實(shí)現(xiàn)高維量子導(dǎo)引特殊結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證；高維量子密鑰分發(fā)的理論方案與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；高維量子不相容結(jié)構(gòu)的理論方案與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；新型結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的產(chǎn)生、傳輸及檢測(cè)等。在物理科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Phys. Rev. Lett.、Light-Sci. Appl.、Optica等發(fā)表一系列重要學(xué)術(shù)論文。研究工作得到國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的支持。