中国科大首次实现纠缠系统波函数的直接测量

我校郭光灿院士团队在量子力学基本问题的研究中取得重要进展，该团队的李传锋、许小冶等人与斯德哥尔摩大学Yaron Kedem博士合作，首次提出并实验实现了多体非局域波函数的直接测量。该研究成果于10月9日发表在国际权威期刊《物理评论快报》上，并入选“编辑推荐”论文。美国物理学会网站“物理新闻与评论”栏目以《直接测量纠缠态》为题专文报道本项成果。

波函数是量子力学最核心的概念之一，不论是单体还是多体量子系统，其状态都可以用波函数完全刻画。目前最常用的测量波函数的方法是量子态层析，然而该方法随着待测系统规模的增加，对资源的消耗呈指数增长。2011年科学家们基于弱测量和弱值（Weak Value）提出单光子空间波函数的直接测量方法，避免了量子态层析中复杂的重构过程。然而对于多体特别是含有纠缠的量子系统的波函数直接测量，却一直未能取得突破，难点在于无法提取多体系统非局域可观测量的弱值。

李传锋研究组继首次实现非局域可观测量的量子测量[Phys. Rev. Lett. 122, 100405 (2019)]后，与斯德哥尔摩大学Yaron Kedem博士一起另辟蹊径，通过巧妙构造哈密顿量，实现对多体系统局域可观测量之和的模量（Modular Value）的测量，然后利用它与非局域可观测量的弱值的数学关系，直接给出后者的取值。该方法成功解决了提取多体系统非局域可观测量的弱值这一难题，可以很方便地应用到多体非局域波函数的测量中。研究组在实验上利用双光子超纠缠成功演示了双光子非局域波函数的直接测量。他们将两个光子制备到偏振和路径分别处于最大纠缠态的超纠缠态上，再实现偏振和路径间的相互作用，最后通过路径指针在不同投影基下的计数直接测量出双光子偏振态的波函数。

该成果首次实现多体纠缠系统波函数的直接测量，《直接测量纠缠态》一文评论该成果对未来量子信息技术中大规模纠缠系统的探测提供高效的方法（This demonstration may lead to more efficient methods for probing large entangled systems, as are imagined in future quantum information technologies）。该工作还澄清了波函数的直接测量技术源自于弱值而非弱测量，更为重要的是，对含有纠缠的多体量子系统波函数的直接测量，证明这是一项纯粹的量子技术，而非基于经典的干涉过程。该方法为量子物理基本问题的研究带来新的思路，并对量子信息技术的发展起到重要推动作用。

该论文共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士研究生潘维韦与特任副研究员许小冶。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省以及博士后创新人才支持计划的资助。

直接测量两光子非局域波函数的实验装置图

论文链接：[color=rgb(255, 102, 0) !important]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.150402

APS网站“物理新闻与评论”链接：[color=rgb(255, 102, 0) !important]https://physics.aps.org/articles/v12/110

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）