中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子態(tài)分辨研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、項(xiàng)國(guó)勇、侯志博研究組在最小資源消耗的量子態(tài)分辨問(wèn)題中首次提出了全局最優(yōu)自適應(yīng)策略，并發(fā)展了自適應(yīng)集體測(cè)量實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比國(guó)際最好方法節(jié)省約30%資源。該研究成果于3月14日在線發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

量子世界的一個(gè)核心特征是兩個(gè)量子態(tài)一般不正交，且不正交的量子態(tài)不能完美區(qū)分，這一方面為量子信息技術(shù)安全性提供了保障，另一方面也使得量子態(tài)區(qū)分成為量子信息科學(xué)中有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)問(wèn)題。實(shí)際量子信息任務(wù)中通?？紤]最小消耗量子態(tài)分辨問(wèn)題，即在給定分辨錯(cuò)誤率要求下，如何設(shè)計(jì)最優(yōu)測(cè)量策略使得平均消耗量子態(tài)拷貝數(shù)最少。當(dāng)前國(guó)際上最好測(cè)量方法是最優(yōu)固定測(cè)量，即對(duì)所有消耗資源采用相同測(cè)量。這種方法第一個(gè)局限性是固定測(cè)量，不能充分利用測(cè)量過(guò)程中得到的信息；第二個(gè)局限性是局域測(cè)量，不能全局提取量子態(tài)信息。

項(xiàng)國(guó)勇等人針對(duì)上述局限性首先提出全局最優(yōu)自適應(yīng)策略，既充分利用了測(cè)量過(guò)程得到的信息，也將局域測(cè)量拓展到集體測(cè)量。并基于測(cè)量輪次平移對(duì)稱性，給出了該自適應(yīng)策略的快速收斂迭代算法。限制在局域測(cè)量時(shí)，平均消耗量子態(tài)拷貝數(shù)比國(guó)際當(dāng)前最好方法節(jié)省16.6個(gè)拷貝（24%），稱為局域界限。項(xiàng)國(guó)勇等人在近年著力發(fā)展的固定兩拷貝集體測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上[Nat. Commun. 9,1(2018); Sci. Adv. 5, 2375 (2019); PRL 124, 060502(2020); PRL 125, 210401(2020); PRapplied 20, 044032(2023)]，進(jìn)一步發(fā)展了自適應(yīng)兩拷貝集體測(cè)量技術(shù)。實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了基于自適應(yīng)量子集體測(cè)量技術(shù)的全局最優(yōu)自適應(yīng)量子態(tài)分辨策略。在錯(cuò)誤率0.01%要求下，分辨二維量子混態(tài)消耗的拷貝數(shù)顯著打破了局域界限，節(jié)省了3.9個(gè)拷貝（6.0%）。

圖1.全局最優(yōu)自適應(yīng)策略及其迭代求解算法，

以及自適應(yīng)集體測(cè)量用于量子態(tài)分辨的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

該工作在理論上提出了適用于一切錯(cuò)誤率要求和所有單向測(cè)量形式的全局最優(yōu)自適應(yīng)策略，該策略可以拓展到更為復(fù)雜的多個(gè)、高維量子態(tài)分辨情形，極大推進(jìn)了最小消耗量子態(tài)分辨問(wèn)題的理論研究。實(shí)驗(yàn)上也將集體測(cè)量技術(shù)從固定測(cè)量發(fā)展到自適應(yīng)測(cè)量，首次展示了自適應(yīng)集體測(cè)量技術(shù)的強(qiáng)大信息提取能力，這種測(cè)量能力有望應(yīng)用于其他量子信息任務(wù)。

中國(guó)科大少年班學(xué)院本科生田博軒為論文第一作者，通訊作者為中國(guó)科大項(xiàng)國(guó)勇教授和侯志博教授。該項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和教育部的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.110801

（中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）

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