近日，重慶研究院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作，在美國物理學(xué)會(huì)旗下應(yīng)用物理旗艦期刊Physical Review Applied (物理類1區(qū))上發(fā)表了“Efficient Direct Measurement of Arbitrary Quantum Systems via Weak Measurement”的理論文章，論文揭示了基于弱測(cè)量下的密度矩陣直接測(cè)量最優(yōu)方案需要滿足的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并且首次提出了對(duì)于任意維度密度矩陣直接測(cè)量其矩陣元的最優(yōu)方案。

在當(dāng)今時(shí)代，有效地從海量數(shù)據(jù)系統(tǒng)中提取所需信息無疑具有重要意義。信息的有效提取是信息學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題。在量子物理學(xué)中，量子態(tài)的研究是其核心內(nèi)容之一，因?yàn)樗鎯?chǔ)了物理系統(tǒng)的所有信息。直接測(cè)量任意量子態(tài)的密度矩陣元素的任務(wù)無論在理論上還是實(shí)驗(yàn)上都是一個(gè)極其重要的挑戰(zhàn)。密度矩陣的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法是量子態(tài)重構(gòu)(quantum state tomography)，它首先需要完成所有的測(cè)量，然后通過重構(gòu)算法計(jì)算出所有的矩陣元信息。因此，量子態(tài)重構(gòu)對(duì)于高維密度矩陣的測(cè)量，不僅受限于測(cè)量個(gè)數(shù)隨矩陣維度的指數(shù)增加，而且受限于重構(gòu)算法復(fù)雜性快速增加。

近期有研究表明利用弱測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的密度矩陣元的直接測(cè)量，從而成為測(cè)量量子態(tài)信息的另一種可選擇的方案。在這項(xiàng)工作中，我們提出了一個(gè)最佳方案，直接測(cè)量任意密度矩陣元只需要對(duì)每個(gè)量子比特執(zhí)行一個(gè)強(qiáng)測(cè)量或弱測(cè)量。從而大大降低了測(cè)量復(fù)雜度，為直接測(cè)量多粒子系統(tǒng)密度矩陣元提供了一種有效的表征手段。該方法可應(yīng)用于各種量子信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，比如線性光學(xué)、金剛石色心、超導(dǎo)系統(tǒng)、冷原子等。如上圖所示，任何密度矩陣元素都可以通過適當(dāng)?shù)牟僮髦苯訙y(cè)量。這種方法在表征大規(guī)模量子系統(tǒng)中將有重要的應(yīng)用，由此方法衍生出的技術(shù)易于擴(kuò)展和集成，如集成到量子芯片等。該方法不僅對(duì)量子信息科學(xué)具有重要意義，而且對(duì)信息學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科也具有一定的參考意義。

上述工作得到國家重點(diǎn)專項(xiàng)、中科院青促會(huì)會(huì)員項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、重慶市自然科學(xué)基金等支持。

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URL:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014045

DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.014045