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研究快讯 | 在单比特上基于量子态判别的互文性实验验证

已有 104 次阅读 2022-7-5 01:11 |系统分类:论文交流

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Received 4 May 2022; online 22 June 2022

Editors' Suggestion

Experimental Test of Contextuality based on State Discrimination with a Single Qubit

Qiuxin Zhang(张球新), Chenhao Zhu(朱晨昊), Yuxin Wang(王玉欣), Liangyu Ding(丁亮宇), Tingting Shi(施婷婷), Xiang Zhang(张翔), Shuaining Zhang(张帅宁), and Wei Zhang(张威)

Chin. Phys. Lett. 2022 39 (8): 080301

DOI: 10.1088/0256-307X/39/8/080301


文章亮点

在最小误差量子态判别框架内,首次实验上展示了在单个量子比特的最简单系统中基于两个测量量的互文性检验,并在单量子比特系统中排除了所有非互文性的理论。


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在单比特上基于量子态判别的互文性实验验证


研究背景

不可行定理,是基于某个特定的假设和模型系统,通过严格的数学推导给出的判据,一般写成不等式的形式。例如,Bell不等式就是基于局域实在性假设,在两个量子比特系统中给出的。因此,实验上如果观察到Bell不等式的违背,即可以在包含两量子比特的系统中排除所有假设局域实在性的理论,如一些隐变量理论。对于互文性检验,KS不等式及相关变种通常要求三个及以上的观测量,并在具有量子纠缠或高维态空间的系统中进行。近期的代表性工作包括:三个具有纠缠的NV量子比特(PRL 123, 050401, 2019), 两个纠缠的囚禁离子(Sci. Adv. 8, eabk1660, 2022),以及具有三维以上Hilbert空间的中子系统(Nature 425, 45, 2003)、光子系统(PRL 122, 080401, 2019; npj Quantum Info. 7, 1, 2021)、超导量子系统(Nat. Commun. 7, 12930, 2016),和囚禁离子系统(PRL 110, 070401, 2013; PRL 120, 180401, 2018)。这些工作都观察到了不等式的违背,从而在相应系统中排除了一切非互文性理论。


从这个意义出发,不可行定理最重要的研究方向之一,是在更宽松的条件和更简单的系统中进行实验检验。这样就可以通过不等式的违背,在更广泛的系统中排除掉更多的理论。本文首次实现了单量子比特系统中基于两个测量量的互文性检验。


内容简介

最近,中国人民大学物理学系和北京市量子信息科学研究院的张威和张翔课题组首次在最简单的单个量子比特系统中利用两个测量量进行了量子互文性的实验验证。由非互文模型推导出的不可行不等式的检验要求数据在一般框架下,即不论量子或经典的理论框架下,均满足操作等价性。为了满足此要求,需将数据先拟合至广义概率理论(GPT),再满足操作等价性的约束条件。最后将数据代入非互文的不等式s≤1-(c-ϵ)/2中,结果展示了该不等式的显著违背,且实验结果与量子描述的理论预言很好地吻合(见图)。


研究意义和重要性

在实验系统高保真度的态初始化、操作和探测下,该工作观察到两个非正交态成功区分的概率显著超过任何非互文性理论预测的上限,此结果意味着实验上首次排除了在只有两个可观测量的简单量子比特系统中进行非互文性描述的可能性。该工作还引入了测量误差来量化量子态区分的优势和对噪声的鲁棒性,不仅加深了对互文性本质的理解,而且从定量的角度推动了对噪声效应的研究。


该论文的第一作者为中国人民大学物理学系博士研究生张球新,张威和张帅宁老师为论文共同通讯作者。


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