量子相干性的资源化理论及实验研究

The advantage of quantum information technologies originates from nonclassical properties of quantum systems, such as quantum entanglement, quantum nonlocality, etc. Among them, quantum coherence is the most fundamental one. In recent years, quantum information technologies are developing very quickly, and even attract much interest from many high-technology companies---people are moving into the stage of dealing with high-complexity quantum systems. According to this, as the source of quantum advantages, quantum coherence should be studied with rigorous resource theory and corresponding experiments, to provide helpful instructions on processing large-scale quantum systems in future, instead of today’s ordinary understanding level. Our project will focus on theoretical and experimental researches on resource theory of quantum coherence, based on parametric down-converted photons and trapped ions. The contents include: 1) Propose suitable measure of quantum coherence, study the relations and conversions between quantum coherence and quantum Fisher information, or other quantum correlations; 2) Develop technologies in photonic system and trapped ion system, devise and realize experiments to test the theoretical results on the measure, conversion, and transfer of quantum coherence; 3) Experimentally realize catalytic quantum coherence, quantum heat engine, and experimentally simulate the light-harvesting process in quantum biology, etc. And study the effects of quantum coherence in these phenomena with resource theory of quantum coherence.

量子信息技术的优越性来自于量子系统各种非经典特性，如量子纠缠、非局域性等，而量子相干性是其中最为基本的一种。近年来，量子信息技术的发展非常迅速，甚至吸引了许多高科技公司参与，人们正在进入处理高复杂度量子体系的阶段。据此，量子相干性作为量子优越性的根源之一，不应停留在原有的简单认知水平，而应作为一种重要资源，开展严格资源化理论与相应实验研究，为今后处理大规模量子系统提供有效指引。本项目将基于参量下转换光子体系和囚禁离子系统，开展关于量子相干性的资源化理论与实验研究，研究内容为：1）提出量子相干性度量、研究量子相干性与量子Fisher信息关系、量子相干性与其他量子资源的关系; 2）发展参量光子及囚禁离子系统实验技术，设计并实验验证量子相干度量、转化、转移等理论结果；3）实验实现量子相干催化、量子热机，以及模拟量子生物学中光收集过程等，利用量子相干性资源化理论研究其中量子相干性的作用。

量子信息技术的优越性来自于量子系统各种非经典特性，如量子纠缠、非局域性等，而量子相干性是其中最为基本的一种。量子相干性作为量子优越性的根源之一，以资源化观点对其开展理论及相应实验研究，将为今后处理大规模量子系统提供有效指引。据此，本项目开展了关于量子相干性的资源化理论与实验研究，主要研究内容包括：1）提出量子相干性度量、研究量子相干性与量子Fisher信息关系、量子相干性与其他量子资源的关系; 2）发展光子及离子系统量子相干性操控技术，实验验证量子相干度量、转化、转移等相关理论；3）实验研究量子热力学过程、量子热机等，并研究其与量子相干性的关系。项目取得如下重要结果：1）理论上提出了G-相干、真相干性等量子相干性度量；证明一种改进型量子Fisher信息可作为量子相干性的度量；发现内部量子资源（如量子相干性、量子纠缠）和外部量子纠缠可相互转化；给出各种真多体纠缠和量子相干性可实验测量下界；提出一类量子相干性目击者及实验测量方案；2）在发展光子和离子系统量子相干控制技术方面，实验实现了公里级高维轨道角动量纠缠分发；11公里高维路径纠缠分发；高维量子态隐形传输；远距离量子纠缠纯化；囚禁离子非绝热和乐量子门；利用新型动力学解耦实现几何消相干有效抑制；单离子时空超分辨成像；3）实验观察到量子相干冻结现象，实现抗噪声量子精密测量；实验验证一种相干度量的因式分解法则；实现设备无关的真多体纠缠检验；验证量子导引椭球及其体积单配性；证实用少体非局域关联无法解释自然界中所有关联；4）实验验证绝热演化下开放量子系统热力学一般公式；实验演示因果顺序相干叠加导致的量子制冷。这些结果深化了对复杂系统中量子相干性及其与其它量子资源关系的认知，增强了对光子及离子系统的量子相干操控能力，为未来在大规模量子系统中更好地利用量子相干资源打下重要基础。