基于系统与路径探测器纠缠的波－粒互补性研究

Investigation of the wave-particle complementarity based on the entanglement between a quantum system and a which-path detector is important for deeply understanding the fundamental principles and concepts of quantum mechanics, such as Bohr’s complementarity principle, quantum interference, and entanglement. In this project, we plan to systematically study this topic. In contrast with previous studies, we will focus on the quantitative relations of the visibility of the system’s interference fringes and of the amount of available path information to the degree of entanglement between the system and the which-path detector, and propose the quantum delayed-choice experiment based on the coherent superposition of the which-path detector. First we will study the case where one qubit acts as the which-path detector of the interfering qubit, and explore the dependences of the interference fringe visibility and amount of the available path information on the entanglement between these two qubits. Then we will propose schemes for implementation of the corresponding physical processes in cavity QED systems, and study the corrections caused by decoherence effects. Next, we will generalize the results, studying the case that the which-path detector is a continuous-variable system. We further investigate the case where the which-path detector is in a superposition of the “present” and “absent” states, propose a quantum delayed-choice experiment based on such a coherent superposition state, and present schemes to implement the corresponding physical process in cavity QED systems. Finally, we will explore the effect of decoherence of the which-path detector on the restoration of the interference fringes.

基于量子系统与路径探测器纠缠的波－粒互补性的研究对深入理解玻尔互补原理、量子干涉及纠缠等量子力学基本原理及概念具有重要意义。本项目拟对这个课题进行系统性研究。和已有研究不同的是，我们侧重研究系统干涉条纹可见度及可获得的路径信息与系统－路径探测器纠缠度的定量关系，并基于路径探测器的相干叠加性提出量子延迟选择试验。我们将首先研究一个量子比特充当干涉比特的路径探测器的情况，探讨干涉条纹可见度及路径信息对两个比特纠缠度的依赖关系。然后在腔QED系统中提出相应物理过程的实现方案，并研究退相干效应对所导致的修正。将结果进行推广，研究路径探测器为连续变量系统的情形。进一步研究路径探测器处于“在”与“不在”相干叠加的情况，提出基于这种相干叠加性的量子延迟选择实验，并在腔QED系统中设计出具体方案以实现相应物理过程。最后研究路径探测器的退相干效应对干涉条纹恢复的影响。

波粒互补性是量子力学的基本特征。惠勒延迟选择实验说明了量子系统的波动性和粒子性是互相排斥的，无法被同时观察到。我们通过引入处于一个处于打开和关闭叠加态的路径探测器，提出了双重的量子延迟选择实验。结果表明，一个量子系统的行为取决于对测量装置的结构，我们可在系统被探测之后对其做出选择。论文进一步证明，量子系统的行为还取决于事后选择对其路径信息进行擦除还是标记，原来的量子延迟选择实验无法揭示这一特征。我们在超导电路系统中验证了理论预测，并观察到了干涉条纹可见度随路径探测器叠加系数的变化过程。. 提出并在实验上演示了在一个完全连接的超导电路中对退相位不敏感的量子信息存储和处理的方案。实验结果表明通过施加一个共振微波驱动场，可使量子比特对退相位噪声实现退耦合。更重要的是，基于连续驱动和比特-比特交换耦合的结合，我们演示了一个具有内在动力学退耦合效应的两比特相位门。. 基于这种逻辑门，提出并演示了高保真度的确定性量子纠缠交换实验。实验结果表明，通过交换生成的两比特纠缠态的concurrence高于0.75，证明了一个比特与其合作比特的大部分纠缠都已被转移到和它没有发生过相互作用的比特。我们还进一步演示了延迟选择的纠缠交换实验，结果表明两个量子比特在先前表现出纠缠行为还是可分行为取决于事后对它们合作比特的测量选择。这是纠缠-可分二象性的首次确定性演示，可看成是单粒子波粒互补性延迟选择实验的推广。. 基于超导电路中量子比特与腔模的色散耦合，在理论上提出并在实验上演示了制备腔模任意福克态叠加态的新方案。在我们的方案中，量子比特用于对相干态中的各个福克态成分的几率幅进行调制，使其转化到目标态。和已有方案相比，我们的方案不要求将光子逐个地泵浦到腔，并且在腔模量子态的制备过程中不需要对量子比特的能级进行调节，因而对噪声具有更强的鲁棒性。