中科大团队通过量子隐形传态来直接测量多粒子量子波函数

漫威电影《蚁人 2：黄蜂女现身》从两个层面建构了影片的叙事空间。其中之一是处于微观世界的外化量子空间。在电影里，黄蜂女所处的量子空间的通讯并不完善。

而时至今日，科学家们仅能通过量子技术用于通讯加密，而如果能用量子通讯则是一件超越科幻电影的事。

早在 2009 年，中科大潘建伟团队已实现基于城域网络的量子密钥通信网络，并在 2017 年团队完成了量子京沪干线的建设，该网络全长 2000km，拥有 32 个可信中继节点，连接了北京、济南、合肥和上海等城市的量子通信骨干网络。

近日，该团队基于量子隐形传态，提出直接测量多粒子量子波函数新颖方法。与标准量子态断层扫描相比，提出的方法可以有效减少测量装置数量，相关论文发表于 Physical Review Letters 期刊上，标题是“Directly Measuring a Multiparticle Quantum Wave Function via Quantum Teleportation”。

量子力学的建立是二十世纪初物理学发展的里程碑式进展，它在解释微观现象上面取得了巨大的成就，它的思想和方法也逐渐被应用到物理学研究的各个领域，从微观的电子运动、原子和分子能谱到固体能带结构等。

到二十世纪末叶，科学家开始尝试用量子力学来研究通信过程，这使得量子信息和量子计算的理论和技术获得了巨大的发展。量子信息和量子计算的发展，又反过来给量子力学的研究注入了新活力。

而量子隐形传态（Quantum teleportation）的概念由美国科学院院士查尔斯·H·贝内特（Charles H. Bennett）等人在 1993 年提出，其基本思想可以简单表述为：利用局域操作、共享纠缠以及经典通信，在不需要传输任何物理载体的情况下可将一个任意未知的信息，隐形传输到远程的另外一个量子比特上。

量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式，其保密性大于传统通信方式。也就是，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了漫威电影蚁人系列中的 “超时空传输”，不经历任何传统的信息携带方式，出现在接收者的地点。

在量子隐形传态框架中，量子态可以实现从虚拟逻辑量子位到物理量子位的转移。量子隐形传态利用量子纠缠传输量子信息，在分布式量子网络和基于测量的量子计算等各种量子信息技术中发挥了重要作用。

虽然目前在量子纠缠领域中已经取得了很多成果，但是对于纠缠的探索工作仍是任重道远。尤其是纠缠的量化和转化问题，如果能够更多地解决这些基本问题，就会加速我们对于量子纠缠资源的使用和优化。

波函数是量子力学中描述体系状态的工具，但其本身不是可观测量，如果能够将这个逻辑量子位的量子信息无损地转移到单个物理量子位，那么问题就可以简化为前面提到的单个量子位测量问题，即将单个密度矩阵元素嵌入逻辑量子位并传送到量子探测器，那么测量探测器就能分别读取密度矩阵元素的实部和虚部。

图 | 直接测量多粒子量子态的示意图（来源：Physical Review Letters）

因此，中科大团队提出的方法可以有助于理解量子力学，而且可以直接有效地测量波函数的本征值。基于此，研究人员提出了一种通过量子隐形传态直接测量一般多粒子量子波函数新方法。

该团队通过实验实现了这种方法，首次使用单个可观察对象直接测量光子混合量子态的波函数。该方法使用量子隐形传输态，将单个密度矩阵元素直接寻址和提取到单个物理量子位，从而将多粒子测量复杂问题简化为简单的单粒子问题。

研究中，研究人员构建了这样一个传送器，在逻辑量子比特隐形传态中使用的量子资源是 GHZ（Greenberger-Horne-Zeilinger） 纠缠态和贝尔测量，它们同时也是量子光学实验的标准例程。

量子比特在单个光子的水平和垂直极化中编码，而基于 EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）偏振纠缠光子对是由三个双 BBO 晶体由紫外飞秒激光器产生的。第一个 EPR 光子对用于通过局部操作设计双光子量子态。第二和第三光子对用于通过在偏振分束器 （PBS） 上混合来自每对光子的两个单光子来产生 GHZ 纠缠态。

研究人员通过将其投影到对角极化态上来追踪额外的光子，并获得三光子辅助探测器 GHZ 状态。通常而言，贝尔测量结果的前馈可用于提高隐形传态的效率。最后，在实验中使用四分之一波片、半波片和偏振分束器在 X 或 Y 基础上测量探测器的量子态。

图 | 传输协议：（a） N - 比特量子态的密度矩阵元素的逻辑量子比特隐形传态；（b） 用于直接测量一般双光子量子态的实验装置（来源：Physical Review Letters）

该实验分两个阶段进行：第一阶段，是为了验证在量子隐形传态通道中，保存逻辑量子比特量子信息的能力。然后，研究人员通过为传送器提供一组量子态并测量输出的保真度，来对传送器的性能进行测试。

而基于双量子位量子态，根据非对角元素索引的奇偶性，非对角矩阵元素可分为三类，研究人员使用四个经过测试的量子态来验证每个传送器，并根据这些结果来重建信道矩阵，其中四个传送器分别获得了 0.800、0.782、0.848 和 0.811 量子过程的保真度。

图 | 三类非对角矩阵元素；（b）传送器 1 的实验结果；（c）传送器 2 和 3 的实验结果（来源：Physical Review Letters）

在实验的第二阶段，研究人员通过量子状态来测试传送器，以证明其能在阻止其他组件的同时具有寻址单个逻辑量子位的能力。通过旋转具有四个局部非零分量的 EPR 状态准备了一个测试量子状态的实例。

接下来，该团队使用前个实验阶段配置的传送器，将每个单独的非对角元素提取到量子探测器。然后分别通过探测器上的 X 和 Y 测量读出非对角元素的实部和虚部。由于干涉仪中可以进行自动相位校准，测量的非对角线元素的相位信息与理想值非常吻合。

图 | 两步测量结果复平面上的复向量，实部和虚部的一个标准偏差由椭圆数据点表示，蓝色符号 + 表示理想值（来源：Physical Review Letters）

此外，研究人员基于量子隐形传态概念，提出一种可以直接测量多粒子量子波函数新型方法。与标准量子态断层扫描相比，这种方法可以有效减少测量装置。该方法还可以提供了应用量子信息协议。比如，用作量子过滤器，可以无损地提取嵌入在分布式量子态中的量子位子空间的量子信息。

而该团队提出的方法另一个应用是对相对量子相位实现量子计量，只需小规模的量子纠缠资源即可实现量子计量优势。

而量子计量学是研究利用量子资源对相关物理参量进行高精度测量的方法的科学。物理参量的高精度测量，无论是对于验证基础科学理论的正确性、还是对于开发变革性的新技术都有很重要的意义，例如引力波探测、卫星、电脑芯片的制造等等无一不需要高精度测量。而今，量子计量学已成为量子频标、量子成像、量子光刻等领域的基本课题，相信量子科学家们还将不断探索量子世界。

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专业审核：北京大学应用化学专业博士生熊世杰