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科研進展

2021年06月16日
中國科大觀測到開放量子系統多步演化的記憶效應

我校郭光燦院士團隊在開放量子系統的實驗研究中取得重要進展,該團隊李傳鋒、柳必恒等人與奧地利科學院理論物理學家合作,實驗觀測到開放量子系統多步演化的非馬爾科夫性,證明了量子記憶效應的操作依賴性。該研究成果6月9日發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上。

記憶效應在自然界中普遍存在,例如疾病傳播、生化過程、光纖通信等。記憶效應的長度、強度和結構等是表征物理演化的重要參數。在量子信息科學中,理解和控制記憶效應對于發展量子技術至關重要。由于系統和環境的耦合,開放量子系統的演化會展現非馬爾科夫性,為研究量子記憶效應提供了平臺。然而,由于量子測量會引起系統量子態的坍縮,實驗者對系統的探測會影響系統的后續演化,這使得以前人們對量子記憶效應的研究局限在單步演化過程,即初態制備后進行演化最后進行量子測量,而在演化過程中不進行測量。

近年來,李傳鋒研究組利用單步演化在開放量子系統的研究中取得了列成果,包括觀測到馬爾科夫環境到非馬爾科夫環境的突變[Nature Physics 7, 931 (2011)]、利用演化的特征譜觀測非馬爾科夫性[PRL 120 060406 (2018)]、構造可控相位退相干演化模擬器[Nature Communications 9, 3453 (2018)]等。在本工作中,李傳鋒、柳必恒等人利用過程張量的方法,將可控探測和系統演化分開,從而可以研究多步演化。研究組利用一對糾纏光子的偏振和路徑自由度,構造了兩類多步演化的開放系統動力學過程,通過度量這兩類演化過程在不同測量方式下的非馬爾科夫性,證實了量子記憶強度的操作依賴性。

該成果開啟了多步演化過程的量子非馬爾科夫性的實驗研究,充分展示了多步演化過程的高階量子記憶效應特征。

圖1:研究開放量子系統多步演化量子記憶效應的實驗光路圖

圖2:實驗結果。(a)和(b)分別展示兩類多步演化過程的非馬爾科夫性(N)及不同測量方法下的量子記憶強度

文章共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士后郭鈺和奧地利科學院的Philip Taranto,共同通訊作者為中科院量子信息重點實驗室柳必恒研究員、李傳鋒教授和奧地利科學院的Philip Taranto。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持,柳必恒研究員為中國科學技術大學仲英青年學者。

論文鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.230401


(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新研究院、科研部)

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