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我校郭光燦院士團隊在量子測量研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、項國勇研究組與德國、意大利以及瑞士的理論物理學者合作，在光子系統(tǒng)中首次實驗使用糾纏集體測量（entangled collective measurement）將量子比特熱力學系統(tǒng)中投影測量的反作用（back action）降至最小。相關(guān)研究成果于2020年11月16日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

對演化的相干量子系統(tǒng)上的一個可觀測量進行兩次投影測量時，第一次測量通常會改變第二次測量的統(tǒng)計信息，這就是所謂的測量反作用。根源在于量子投影測量會完全破壞量子系統(tǒng)的量子疊加性。Martí Perarnau-Llobet博士的工作[Phys. Rev. Lett. 118, 070601 (2017)]指出，在不違背量子熱力學的基本漲落理論的前提下，我們無法設(shè)計出一個測量方案完全避免反作用，但我們可以通過集體測量的方式來減少反作用的程度——假如我們有兩份相同拷貝的量子態(tài)，并且對這個整體做一個廣義量子測量，就可以提取量子態(tài)中部分初始疊加性的信息。也就是說，通過集體測量，我們能減少投影測量所帶來的反作用。基于以上的理論結(jié)果，項國勇等人于2019年首次在實驗上利用量子集體測量成功觀測到測量反作用力的減小[Sci. Adv. 5, eaAV4944 (2019)]。

先前的工作[Phys. Rev. Lett. 118, 070601 (2017),Sci. Adv. 5, eaAV4944 (2019)]所使用的集體測量均為可分離量子集體測量，一個自然的問題即可被提出：是否存在糾纏的集體測量超越我們已經(jīng)實現(xiàn)的反作用減少程度。項國勇等人就兩比特情形下，對最優(yōu)化的集體測量形式進行了深入的研究，他們發(fā)現(xiàn)在理論上存在一個最優(yōu)的糾纏集體測量，能在兩比特系統(tǒng)中使反作用達到最小，并且在強相干演化的情形下，其反作用可被壓制為0。項國勇等人利用單光子的多個自由度結(jié)合光量子行走的實驗技術(shù)，設(shè)計并以高達0.985的保真度實現(xiàn)了該糾纏測量，成功地在實驗上把投影測量反作用降至最小。

圖1：實驗原理圖與實驗裝置圖

圖2：實驗結(jié)果。對不同初始量子態(tài)和演化過程，利用糾纏集體測量實現(xiàn)反作用力的減小。

審稿人對該工作給予了高度評價：“The experiment is well executed, as the results follow closely what one would expect from an ideal implementation. Overall, I find the article a highly interesting contribution to the topic of quantum back action and a great combination of new theory and flawless experimental implementation（該實驗執(zhí)行得很好，實驗結(jié)果與理想實現(xiàn)的預期非常接近?？偟膩碚f，我發(fā)現(xiàn)這篇文章是對量子反作用這一主題的一個非常吸引人貢獻，是新理論和完美實驗實現(xiàn)的成功結(jié)合）”“this work represent a major advance in the field（這項工作是該領(lǐng)域的一項重大進展）”。該工作對集體測量以及量子熱力學的研究具有重要意義。

文章的第一作者是中科院量子信息重點實驗室的博士后吳康達，通訊作者是Karen V. Hovhannisyan博士，Martí Perarnau-Llobet博士以及項國勇教授。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部，EU COST Action MP1209 on Thermodynamics in the Quantum Regime以及Swiss National Science Foundation基金的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.210401

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）