中國科大實現非局域可觀測量的量子測量

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子力學基本問題研究中取得新進展，該團隊李傳鋒、許小冶等人與來自歐洲的理論組合作，通過在量子測量中引入糾纏探針，實現了非局域可觀測量的馮·諾依曼(von Neumann)測量，并用來實驗驗證復合系統中有些情形下乘法規則會失效。該研究成果3月15日發表在期刊《物理評論快報》上。
 

　　量子測量是量子力學基本和核心的問題，根據馮·諾依曼測量假定，量子測量會導致量子態坍縮到待測物理量的本征態。通常原始的量子測量又被稱作馮·諾依曼測量，以區別于后來提出的量子弱測量等概念。盡管量子理論從一開始在形式上就包含非局域變量(和空間中多個區域有聯系的變量)，然而在量子理論建立后的很長一段時間，非局域變量的地位并不明確。基于自然界中所有已知相互作用都是局域的這樣一種認知，人們普遍相信沒有辦法直接測量非局域變量。這就使得人們不能像稱呼一些局域變量為可觀測量那樣簡單地將一些非局域變量稱為非局域可觀測量。大約四十年前，沃爾夫獎獲得者Aharonov及其合作者在系統研究量子場論的過程中指出，存在一些非局域變量是可以被直接測量的，且測量過程不會導致超光速的信號傳遞。
 

　　李傳鋒、許小冶等人通過在量子測量中引入糾纏探針，在光學系統中實現了非局域可觀測量的馮·諾依曼測量。他們將兩個光子制備到偏振和路徑分別處于大糾纏態的一種超糾纏態上，再實現偏振和路徑間的相互作用，從而成功實現了利用處于糾纏態的路徑探針直接測量偏振自由度的非局域可觀測量。基于這一非局域測量方案，研究組還進一步實驗驗證復合系統中有些情形下乘法規則會失效，即通過局域測量得到A光子泡利算符Xa的值為-1、B光子泡利算符Yb的值為-1，根據乘法規則XaYb應該為1，然而實驗結果恰恰相反，非局域可觀測量XaYb的測量結果為-1，這就是量子非局域性的奇妙之處。
 

　　非局域可觀測量的測量不僅加深了人們對量子測量和量子非局域性等量子力學基本問題的理解，還可在技術上用于量子隱形傳態、遠程量子計算和量子密碼等重要量子信息過程，將會對量子信息領域的發展起到重要推動作用。
 

　　該工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省和博士后創新人才支持計劃的資助。