【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華研究組和香港中文大學(xué)劉仁保研究組合作，在開放量子多體系統(tǒng)時(shí)序關(guān)聯(lián)的高精度測(cè)量方面取得了重要進(jìn)展，利用可控物理過程合成的量子通道，提出了一種選擇性地測(cè)量開放量子多體系統(tǒng)中任意類型時(shí)序關(guān)聯(lián)的理論方案，并首次在核自旋體系中成功探測(cè)了四階量子時(shí)序關(guān)聯(lián)。相關(guān)研究成果于2024年5月16日以“Selective Detection of Dynamics-Complete Set of Correlations via Quantum Channels”為題在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett.132,200802 (2024)]。
 

　　物理量之間的關(guān)聯(lián)對(duì)于多體系統(tǒng)的理解以及量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。為了全面描述一個(gè)物理系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，需要系統(tǒng)中所有的時(shí)序關(guān)聯(lián)信息，即一套動(dòng)力學(xué)完備的時(shí)序關(guān)聯(lián)集合。對(duì)于量子多體系統(tǒng)而言，物理量(算符)的非對(duì)易性給量子關(guān)聯(lián)帶來了各種各樣復(fù)雜的不等價(jià)形式。然而，當(dāng)前的測(cè)量方案只能提取少數(shù)特殊形式的時(shí)序關(guān)聯(lián)信息，到目前為止還沒有一種系統(tǒng)的、可行的方案來提取動(dòng)力學(xué)完備集合中所有類型的時(shí)序關(guān)聯(lián)信息。2019年，香港中文大學(xué)劉仁保教授曾提出了基于連續(xù)弱測(cè)量的任意量子時(shí)序關(guān)聯(lián)測(cè)量方案[Phys. Rev. Lett.123, 050603 (2019)]。然而基于連續(xù)弱測(cè)量方法伴隨著測(cè)量次數(shù)提高，高階量子關(guān)聯(lián)信號(hào)的信噪比急劇下降，其實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)難度很大。因此，如何系統(tǒng)性、選擇性地測(cè)量動(dòng)力學(xué)完備的任意量子時(shí)序關(guān)聯(lián)一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。
 

　　圖：(a)量子多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化衍生出各種形式的量子時(shí)序關(guān)聯(lián)。(b)任意N階量子時(shí)序關(guān)聯(lián)選擇性測(cè)量的量子線路。(c)四階量子關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。(d)基于高階量子時(shí)序關(guān)聯(lián)的量子優(yōu)化控制的數(shù)值模擬。
 

　　為了解決上述挑戰(zhàn)，彭新華研究組和劉仁保研究組合作，創(chuàng)新性地提出了基于可控物理過程合成量子通道的任意類型量子時(shí)序關(guān)聯(lián)選擇性測(cè)量協(xié)議，見圖(a)和(b)。該協(xié)議不僅極大程度提升了高階量子關(guān)聯(lián)的測(cè)量信噪比，降低了實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的難度，而且適用于更廣泛的實(shí)驗(yàn)體系，包括單自旋和系綜量子體系。利用核磁共振高精度量子控制，該工作在多自旋體系上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該測(cè)量協(xié)議的可行性，首次成功測(cè)量了量子多體系統(tǒng)中的四階量子時(shí)序關(guān)聯(lián)，見圖(c)。進(jìn)一步，該工作將實(shí)驗(yàn)獲得的高階量子關(guān)聯(lián)信息應(yīng)用于高精度量子優(yōu)化控制任務(wù)中。圖(d)中展示的數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)于單自旋量子門(如Pauli-X門)，相比于以往只利用二階量子關(guān)聯(lián)信息的優(yōu)化方法，當(dāng)優(yōu)化控制中考慮四階量子關(guān)聯(lián)修正后，可將量子門保真度從99.987%提升到99.99996%。
 

　　該工作在量子信息和量子多體物理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。一方面，對(duì)量子熱庫中所有量子時(shí)序關(guān)聯(lián)信息的完全提取提供了一種完整表征量子噪聲的方法，這對(duì)量子信息技術(shù)(如量子控制和量子精密測(cè)量等)非常重要。另一方面，由于量子多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為可以逐階分解為成各種量子時(shí)序關(guān)聯(lián)的疊加，對(duì)任意量子時(shí)序關(guān)聯(lián)的精確測(cè)量有助于我們更好地表征和理解量子多體系統(tǒng)非平衡態(tài)性質(zhì)。未來方向擬通過減緩?fù)讼喔尚?yīng)和利用量子資源(如糾纏和壓縮)進(jìn)一步提高測(cè)量量子時(shí)序關(guān)聯(lián)的信噪比和頻譜分辨率等。審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)：“It's asignificant addition to the field of quantum metrology, offeringinsights into quantum systems dynamics.”(這是量子度量領(lǐng)域的一項(xiàng)重要補(bǔ)充，提供了量子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的洞察方法)。
 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳澤博士后、北京師范大學(xué)珠海校區(qū)王評(píng)副研究員為論文的共同第一作者，彭新華教授和劉仁保教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省、新基石科學(xué)基金會(huì)等資助。(中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)