多体量子导引关联的刻画及其应用

The year of 2015 marks 80 years since Albert Einstein, Boris Podolsky and Nathan Rosen (generally referred to as “EPR”) published their striking paper “Can quantum mechanical description of physical reality be considered complete?”, in which they pointed out one of the most counterintuitive features of quantum mechanics, that measurements on one particle A seems to immediately affect the state of the other distant particle B. In the same year, Schrödinger introduced the term ‘steering’ for the freaky nonlocal effect manifested by the EPR paradox - what Einstein called 'spooky actions at a distance'. This effect was rigorously defined by Wiseman and colleagues in 2007, as the way two parties can verify shared entanglement even if one measurement device (or party) is untrusted. This significantly reduces the device requirements in the network. Quantum steering is an essential resource for a number of applications, such as quantum key distribution, secure quantum teleportation and performing entanglement assisted subchannel discrimination. In addition, quantum steering may provide unique conceptual tools for one-sided, device-independent quantum secret sharing. The goal of the project is to achieve a deep understanding of fundamental manifestations of nonclassicality in composite quantum systems. In particular, we will deliver a comprehensive characterisation of Einstein-Podolsky-Rosen steering correlations in multipartite quantum states. Our key aim in this project is to theoretically develop the method to classify and quantify both bipartite and multipartite EPR steering, explore the special signatures (such as monogamy, collectivity, directionality) and new measures of steerability, find the efficient test of steering in various physical systems, as well as the utilization of EPR steering for the applications in quantum information processing.

本项目将研究多体量子态导引关联（steering）的性质与刻画及其在量子信息处理中的应用。量子导引是一种特殊形式的量子关联，介于量子态的纠缠不可分性和非定域性之间。量子导引具有天然的不对称性，是实现更安全的且单方设备不依赖的量子密钥分发、量子隐形传态、量子秘密共享的重要资源。近年来引起理论和实验的高度关注，发展较为迅速。然而，随着体系粒子数增加，量子导引结构和性质的复杂程度会迅速增长，对其本质理解和定量刻画还处于探索阶段。我们将从两模高斯态量子导引的度量出发，然后研究真正三体量子导引的量化和单配性（monogamy）限制，再到具有更为复杂结构的一般多模高斯态，以及考察相应连续变量非高斯态系统和离散变量系统中多体量子导引的刻画问题。我们还将紧密结合实际的超冷原子系统和量子光学系统，通过与实验交流合作，更好地理解和应用多体量子导引。

量子导引是一类纠缠程度更强的新型纠缠，介于量子态的不可分性和非定域性之间，是指空间分离且纠缠的量子态中的一方由于自身的本地测量可以远程（非局域的）影响另一方的状态。它具有天然的不对称性，是实现更安全的且单方设备不依赖的量子密钥分发、量子隐形传态、量子秘密共享的重要资源。近年来引起理论和实验的高度关注，发展较为迅速。该课题研究的核心科学问题之一是如何判定和度量量子导引，以及在此基础上发掘量子导引作为不可替代资源的独特应用。在该项目支持下，课题组在理论探索以及与实验合作中都取得了较丰富的研究成果，已发表受基金标注的研究论文24篇，其中包括Phys. Rev. Lett.3篇。主要成果如下: .(1) 给出了多模高斯态系统量子导引的单配性约束关系，以及量子导引能力与量子秘密共享成码率之间的依赖关系；随即，与国内实验组合作，首次在高斯四模簇态中验证了包括我们提出的Coffman-Kundu-Wootters型在内的四种量子导引分配约束关系。由多方共享的量子引导关联作为保密通信的安全基础，原则上可以抵御信息传输过程中的任何黑客攻击，为未来构建多方量子通信网络提供前所未有的安全保证。.(2) 设计了一个利用传递可分态实现多体量子导引分发的应用方案，并与实验组合作实现了理论方案。如何在空间分离的多个用户之间建立量子纠缠，是实现远距离安全量子通信的关键。我们的方案中，用户只需要进行简单的本地操作，由云端服务器统一控制，便可以在用户间建立具有特定结构的量子导引。随后，与实验组合作，利用多模连续变量光场体系，成功实现了两用户、三用户间量子纠缠及单向量子导引的确定性分发，为安全量子通信网络走向实际应用提供了新思路。.(3) 将量子纠缠研究进一步延伸到介观/宏观尺度，提出了在介观尺度检测量子非定域性效应的新方法。针对已报道实现EPR paradox的介观光学体系和BEC体系实验，首次提出了非定域性效应在介观尺度是否存在的检测和度量方法。同时，利用量子不确定性关系，发展了可同时判定量子导引与量子态不可分的新判据。.(4) 提出了磁振子、机械振子、原子系综、光场等复合系统中制备和调控量子纠缠与量子导引的方案，为探索宏观尺度下的量子力学问题提供平台。.(5) 根据学科发展最新动态做出了相应拓展，在激子BEC系统与超导系统中分别研究了自发形成涡旋晶格的条件，双稳态与猫态的产生等。