量子弱测量技术在量子信息中的应用

In quantum mechanics, the state can represent a quantum system, and improvement of the state and its determination has key importance in obtaining every information about the system. Because of the collapse of wave function due to the decoherence, conventional quantum measurements cannot be directly used in some hot topics of quantum information science such as quantum sate based high precision measurements, reconstruction of unknown quantum state, etc. However, the advance of the research in fundamentals of quantum physics provided an effective method to solve above problems by using the simple and easily manipulable pre-and post-selected quantum weak measurement technique which is characterized by weak value. Therefore, in this project we will deeply study some practically important problems in quantum information science such as the improvement of pointer state in generalized weak measurement theory of weak measurement technique, enhancement of precision of the measurement of quantum state, and reconstruction of unknown entangled quantum states, etc. The project focuses on following: (1) Probe state optomization problem which is directly effected to the precision of the measurement based on generalized quantum modulator value. (2) Coprehensively analyse the factors of weak measurement technique and projective measurement influencing the accuracy and precision of the measurement during the quantum measurement process and provide the proposal for the improvement of accuracy and precision of quantum measurement. (3) Using the weak measurement technique, provide feasible theoretical scheme for reconstruction of unknown quantum entangled sates and increase its efficiency.

在量子力学中，量子态描述一个量子系统，它的优化及精确测定对于获得系统所包含的信息方面至关重要。标准的量子测量理论由于测量引起的波包塌缩现象，不能直接地应用于以量子态为中心的高精密测量、未知量子态的重构问题等量子信息的重要问题中。随着量子物理基础研究的进展而提出来的，以弱值为特征的后选择量子弱测量技术为以上难题的解决提供了非常有效的新手段。因此，本项目拟就量子弱测量技术在广义的弱测量理论中指针态的优化问题、提高测定量子态的精确度以及重构未知量子纠缠态等在量子信息中具有实际应用价值的重要问题方面展开深入研究。具体的研究内容包括:（1）基于广义的量子模块值研究对精密测量直接影响的指针态的优化问题；（2）全面分析量子弱测量技术和投影测量在量子态测定过程中影响测定的准确度和精确度的各种因素，给出量子精密测量的最优化方案；（3）用弱测量技术重构未知量子纠缠态及提高其重构效率的方案。

量子弱测量理论作为标准量子测量理论的推广，在系统弱信号放大，解决量子理论的基本问题，精密测量，以及量子态优化等方面的应用一直是人们关注的热点问题，并不断启发人们深入探索量子力学在信息，通信，控制理论等交叉学科的应用。本项目围绕量子弱测量技术在重构未知量子态、量子态优化、制备量子态以及弱测量和强测量的关系等在量子信息科学中具有实际应用价值的重要问题方面进行了深入研究。取得的主要研究结果有：1）我们给出了重构未知两光子纠缠态密度矩阵直接测量的两种方法，这为利用后选择量子弱测量技术重构未知纠缠量子态提供了具有参考价值的新办法；2）我们研究了量子弱测量技术对量子信息中常用量子态有关性质的影响，我们发现以后选择和弱值特征的后选择冯·诺伊曼测量对量子态的压缩效应、光子统计以及相空间分布函数有积极影响，能够明显的提高量子态的非经典特性；3）我们提出了利用量子弱测量技术制备量子态的可行性理论方案，其结果表明用弱测量技术制备和优化拥有高保真度的非经典态是可行的，这为制备量子信息中具有应用价值的崭新非经典态开辟了一条新途径；4）我们探究了量子弱测量和量子强测量之间过渡的一般理论机制，澄清了可观测量的弱值和期望值之间的关系和区别及其在相应测量过程读出的基本原理。. 我们的这些理论研究工作进一步探究了量子弱测量技术和弱值在处理量子信息领域中一些具有潜在应用价值问题中的独特优势，为研究基于量子弱测量技术的量子态操控提供了一种新思路和新方法，其研究成果在量子态制备与优化及量子控制理论中具有重要的应用前景和参考价值。研究成果先后在物理学评论A (Physical Review A) 、物理学快报 A (Physics Letters A) 、欧洲物理学杂志 Plus (European Physical Journal Plus) 、理论物理通讯（Communications in Theoretical Physics）、中国物理 B （Chinese Physics B ）等国内外专业期刊发表论文共计10篇，其中SCI收录论文8篇（全部标注第一资助基金）。