日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授和尚江偉副研究員課題組同新加坡國(guó)立大學(xué)量子科技研究中心韓睿博士合作，在量子驗(yàn)證研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出了基于非破壞測(cè)量的新的量子驗(yàn)證協(xié)議。該協(xié)議不僅可以達(dá)到最優(yōu)的驗(yàn)證效率，而且可以實(shí)現(xiàn)保真度估計(jì)和態(tài)制備等其它任務(wù)。同時(shí)該協(xié)議的測(cè)量順序是任意的，因而便于實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。
量子驗(yàn)證是一種優(yōu)秀的量子系統(tǒng)表征協(xié)議，它可以高效的判斷諸如量子態(tài)的保真度是否在我們所需要的閾值之內(nèi)等任務(wù)。相比于量子層析和直接保真度估計(jì)等傳統(tǒng)的表征方法，量子驗(yàn)證基于精度的資源消耗從二次方降低為一次，因而在高精度的量子系統(tǒng)表征任務(wù)中極具優(yōu)勢(shì)。近兩年來，課題組與合作者在量子驗(yàn)證領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。在對(duì)任意維度兩體糾纏態(tài)的驗(yàn)證的研究中，我們首次給出了可操作的對(duì)于驗(yàn)證協(xié)議的數(shù)值優(yōu)化算法，并據(jù)此得到了最優(yōu)的兩體糾纏態(tài)驗(yàn)證協(xié)議，該研究還展現(xiàn)了自適應(yīng)測(cè)量技術(shù)對(duì)于提高量子驗(yàn)證效率的優(yōu)勢(shì)[npj Quantum Inf. 5, 112 (2019)]。基于這一點(diǎn)，我們利用自適應(yīng)測(cè)量首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)于復(fù)雜多體糾纏態(tài)Dicke態(tài)的有效驗(yàn)證，并據(jù)此給出了非自適應(yīng)測(cè)量的協(xié)議，證明了自適應(yīng)測(cè)量和非自適應(yīng)測(cè)量協(xié)議之間的一般性關(guān)系[Phys. Rev. Applied 12, 044020 (2019)]。同時(shí)，我們還將量子態(tài)驗(yàn)證推廣到了量子過程驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于量子門以及量子測(cè)量的有效驗(yàn)證[Phys. Rev. A 101, 042315 (2020)]。
在前期的工作基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)基于原有的協(xié)議框架，量子驗(yàn)證存在幾個(gè)方面的問題。
第一，對(duì)于任意量子態(tài)的最優(yōu)效率的驗(yàn)證協(xié)議一般而言總是很難給出的。
第二，原有的量子驗(yàn)證協(xié)議是對(duì)多組測(cè)量設(shè)置的概率性測(cè)量，直接實(shí)現(xiàn)存在困難。實(shí)驗(yàn)上是通過以固定的順序?qū)γ總€(gè)測(cè)量設(shè)置進(jìn)行多次測(cè)量，這種技術(shù)上的妥協(xié)就給可能的欺騙方留下了漏洞。
第三，我們需要驗(yàn)證的未知態(tài)在驗(yàn)證之后已經(jīng)被破壞了，因此就不能用于后續(xù)的任務(wù)。我們通過將非破壞測(cè)量技術(shù)引入量子驗(yàn)證中，可以直接解決驗(yàn)證過的量子態(tài)被破壞的問題?；诜瞧茐臏y(cè)量，我們將原來概率性測(cè)量的驗(yàn)證協(xié)議框架改為了對(duì)于量子態(tài)進(jìn)行多組不同測(cè)量設(shè)置的連續(xù)測(cè)量。我們證明這樣的連續(xù)非破壞測(cè)量驗(yàn)證協(xié)議總能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的測(cè)量效率，這樣對(duì)于量子驗(yàn)證的研究就可以將目光只聚焦于測(cè)量設(shè)置上了。
在這一證明中，我們還發(fā)現(xiàn)這樣效率最優(yōu)的連續(xù)測(cè)量與各個(gè)測(cè)量設(shè)置的測(cè)量順序是無關(guān)的，因此非常易于實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建。進(jìn)一步，我們的測(cè)量協(xié)議不僅是保護(hù)了被驗(yàn)證的目標(biāo)態(tài)不受破壞，甚至可以將未知的非目標(biāo)態(tài)以一定的概率直接投影至目標(biāo)態(tài)，這個(gè)概率等于未知態(tài)與目標(biāo)態(tài)之間的保真度。因此，該協(xié)議還可以用于保真度估計(jì)和態(tài)制備等任務(wù)。隨著量子技術(shù)的發(fā)展，非破壞測(cè)量已經(jīng)在許多平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段，期待相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)可以有效的展示出非破壞測(cè)量量子驗(yàn)證協(xié)議的各種特性與優(yōu)勢(shì)。
第一，對(duì)于任意量子態(tài)的最優(yōu)效率的驗(yàn)證協(xié)議一般而言總是很難給出的。
第二，原有的量子驗(yàn)證協(xié)議是對(duì)多組測(cè)量設(shè)置的概率性測(cè)量，直接實(shí)現(xiàn)存在困難。實(shí)驗(yàn)上是通過以固定的順序?qū)γ總€(gè)測(cè)量設(shè)置進(jìn)行多次測(cè)量，這種技術(shù)上的妥協(xié)就給可能的欺騙方留下了漏洞。
第三，我們需要驗(yàn)證的未知態(tài)在驗(yàn)證之后已經(jīng)被破壞了，因此就不能用于后續(xù)的任務(wù)。我們通過將非破壞測(cè)量技術(shù)引入量子驗(yàn)證中，可以直接解決驗(yàn)證過的量子態(tài)被破壞的問題?；诜瞧茐臏y(cè)量，我們將原來概率性測(cè)量的驗(yàn)證協(xié)議框架改為了對(duì)于量子態(tài)進(jìn)行多組不同測(cè)量設(shè)置的連續(xù)測(cè)量。我們證明這樣的連續(xù)非破壞測(cè)量驗(yàn)證協(xié)議總能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的測(cè)量效率，這樣對(duì)于量子驗(yàn)證的研究就可以將目光只聚焦于測(cè)量設(shè)置上了。
在這一證明中，我們還發(fā)現(xiàn)這樣效率最優(yōu)的連續(xù)測(cè)量與各個(gè)測(cè)量設(shè)置的測(cè)量順序是無關(guān)的，因此非常易于實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建。進(jìn)一步，我們的測(cè)量協(xié)議不僅是保護(hù)了被驗(yàn)證的目標(biāo)態(tài)不受破壞，甚至可以將未知的非目標(biāo)態(tài)以一定的概率直接投影至目標(biāo)態(tài)，這個(gè)概率等于未知態(tài)與目標(biāo)態(tài)之間的保真度。因此，該協(xié)議還可以用于保真度估計(jì)和態(tài)制備等任務(wù)。隨著量子技術(shù)的發(fā)展，非破壞測(cè)量已經(jīng)在許多平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段，期待相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)可以有效的展示出非破壞測(cè)量量子驗(yàn)證協(xié)議的各種特性與優(yōu)勢(shì)。
物理學(xué)院2016級(jí)博士生劉燁超為該工作的第一作者，尚江偉副研究員和張向東教授為通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，以及北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃的支持。
相關(guān)文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41534-019-0226-z
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.044020
https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.101.042315
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.090504
