12月29日消息（余予）量子測(cè)量將微觀的量子態(tài)信息轉(zhuǎn)化為探測(cè)器響應(yīng)的經(jīng)典事件，是連接量子世界與經(jīng)典世界的橋梁。而對(duì)量子測(cè)量進(jìn)行準(zhǔn)確高效的表征，是提取量子系統(tǒng)信息、研究量子物理基本理論、開發(fā)先進(jìn)量子技術(shù)、實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的重要前提。
據(jù)了解，表征量子測(cè)量的傳統(tǒng)方法為量子探測(cè)器層析，需要制備一組信息完備的入射態(tài)，并使用未知的量子測(cè)量對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)不同入射態(tài)的測(cè)量結(jié)果，利用優(yōu)化算法對(duì)量子測(cè)量的測(cè)量算符進(jìn)行重構(gòu)。
盡管量子探測(cè)器層析在理論上對(duì)任意量子測(cè)量的表征具有普適性，但隨著測(cè)量算符維度的增大，完備入射態(tài)制備過(guò)程和測(cè)量算符重構(gòu)過(guò)程的復(fù)雜度都大幅度提升，為高維度量子測(cè)量的實(shí)際表征帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院與之江實(shí)驗(yàn)室合作，利用量子系統(tǒng)具有時(shí)間對(duì)稱性的雙態(tài)矢量描述，對(duì)前、后選擇的量子系統(tǒng)進(jìn)行弱測(cè)量，將廣義測(cè)量結(jié)果—弱值與實(shí)現(xiàn)后選擇過(guò)程的量子測(cè)量算符建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)提取不同可觀測(cè)量的弱值實(shí)現(xiàn)對(duì)量子測(cè)量直接表征，這一方法被稱為直接量子探測(cè)器層析（Direct Quantum Detector Tomography，DQDT）。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員將該方法應(yīng)用于對(duì)偏振自由度的投影測(cè)量以及對(duì)稱信息完備的正值算符測(cè)量（SIC POVM）進(jìn)行直接表征，得到的測(cè)量算符與對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)量子探測(cè)器層析結(jié)果保真度均大于99.5%。
圖1. 利用直接量子探測(cè)器層析對(duì)偏振投影測(cè)量和SIC POVM直接表征的實(shí)驗(yàn)裝置圖。
圖2. 對(duì)偏振投影測(cè)量進(jìn)行直接表征的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a、b）與精度分析（c、d）。（e）直接表征結(jié)果與傳統(tǒng)表征結(jié)果的保真度。
圖3. 對(duì)偏振自由度SIC POVM進(jìn)行直接表征的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a、b、c）與精度分析（d、e）。
除此之外，本工作還系統(tǒng)研究了直接層析方案的精度，并通過(guò)改變量子系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器態(tài)之間的耦合強(qiáng)度，以及最優(yōu)化利用量子測(cè)量算符的完備性條件，有效改善了測(cè)量算符的直接表征精度，使得直接量子探測(cè)器層析對(duì)于表征任意的量子測(cè)量具有普遍的可行性。
此項(xiàng)工作將基于弱值的直接層析理論由量子態(tài)和量子過(guò)程擴(kuò)展到對(duì)量子測(cè)量的表征，為時(shí)間對(duì)稱形式下弱測(cè)量的理論研究提供了新的思路，同時(shí)該方法規(guī)避了傳統(tǒng)表征方法中的重構(gòu)過(guò)程，大幅度降低了的計(jì)算復(fù)雜度，為表征高維的量子測(cè)量、研究量子測(cè)量的非經(jīng)典性質(zhì)打開了新的大門。
以上成果以"Direct Characterization of Quantum Measurements Using Weak Values"為題于近日在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表。論文的第一作者為南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院科研助理、之江實(shí)驗(yàn)室博士后胥亮，論文的通訊作者為張利劍教授，南京大學(xué)為該論文的第一單位。
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