实验研究量子相干的资源化理论

Quantum coherence is the fundamental character of quantum theory, which is originated from quantum superposition principle, and is the primary reason that the quantum technology can surpass the classical technology. Although in the past decades, quantum coherence has been intensively studied, to study it as a quantum resource and to establish a rigorous theoretical framework is still a new hot topic in recent years. The resource theory of quantum coherence includes: the quantification of quantum coherence, the dynamical evolutions of quantum coherence and the relations between quantum coherence and other quantum resources (e.g. quantum correlation, etc.). In this project, we experimentally study the resource of quantum coherence according to these three aspects, including: comparing different measure methods of quantum coherence from the view angle of complexity and cost of experimental resources; constructing and controlling the quantum channels, and figuring out which channel can better maintain the quantum coherence; measuring the quantum coherences and quantum correlations for various quantum states, and exploring the conservation relations among these resources. This project can make further and better understandings to the quantum resource of coherence to us, and benefits the rapid development of quantum information technology.

量子相干是量子理论的基本属性，它直接源于量子叠加原理，是量子信息技术能够超越经典信息技术的根本原因所在。尽管在过去的几十年中，量子相干已经被大量地研究过，但是，将其作为一种量子资源，用资源理论建立起一套严格的理论体系还是最近几年才兴起的一个热门方向。量子相干的资源化理论包括：对量子相干的量化度量、量子相干的动力学演化以及量子相干作为一种量子资源与其它量子资源（如：量子关联等）之间的量化关系。本项目的主要研究内容就是从这三个方面出发，采用实验的手段来系统地研究量子相干这种资源，包括：从复杂度和资源耗费量的角度来比较各种不同度量方法之间的优劣；构造和调控量子消相干信道，并研究何种量子信道可以更好地保持量子相干；对各种量子态进行量子相干、量子关联的测量，寻找其中的守恒量（即真正的量子资源）。本项目的实施可以使我们对量子相干这种量子资源进行全面而深入的了解，为量子信息技术的快速发展提供更好的支持。

量子相干是量子力学的基本属性，它源自于量子叠加原理。过去对量子相干的研究很多，但是并未像量子纠缠和量子关联那样，从资源的角度来考虑它，这对认清量子相干在量子信息中的重要位置及其在量子信息中的应用是不利的。直到最近，人们将量子相干也纳入资源化理论的框架中，这主要包括量子相干的量化度量、量子相干的动力学演化以及量子相干与其它量子资源（如量子关联等）之间的转换关系等方面的内容。本项目也主要是围绕这几个方面在实验上进行探讨。主要成果如下：. (1) 在量子相干的度量方面，我们提出了两种更直接的测量量子相干的方法并实验验证。一种是基于资源的鲁棒性的，另一种是基于可观测物理量的。同时作为对比，我们也针对相同的目标态，对传统的量子态层析方法进行了实验验证。我们发现这三种方法测得的结果完全一致，从而证实了我们的新方法的有效性。. (2) 在量子相干的动力学演化方面，我们实现了量子相干的自适应冻结方案，可以更好地保护量子相干资源；另外，我们发现了量子相干的跳变现象，这打破了之前“量子相干不会出现如纠缠中的sudden death和sudden birth现象”的定论，它是一种全新的跳变机制，前一种机制对应了指针态的出现，而这里的新机制则对应了指针态的最终确立。. (3) 在量子相干与其它量子资源的转换关系方面，我们实验制备了一个两比特态并对其进行了多次全局操作，这些操作会使得量子资源在局域量子相干和比特间量子关联两种形式之间相互转换，通过对这些初末态进行相干或者关联测量，我们看到了局域量子相干与量子关联之间的此消彼长关系，从而论证了它们的相互转换。. 此外，我们还在其它量子光学实验方面（如光学量子模拟等）取得了重要进展，它们多少基于对量子相干资源的利用，因为量子相干是量子力学区分与经典理论的最基本的属性。. 项目执行期间，以第一或通讯作者形式发表论文13篇，包括6篇Physical Review Letters，5篇Physical Review A，1篇Advanced Quantum Technologies，1篇Physica E，参加国内、国际会议10次。