量子相干性操控、测量与应用的实验研究

With the development of quantum information technology, more and more works recognize the importance of quantum coherence as quantum resource. especially after quantum resource theory framework of quantum coherence was proposed in 2014, a growing number of works are focusing on the framework of quantum coherence resource theory, quantification of quantum coherence, dynamics of quantum coherence and applicantions of quantum coherence. But till now, very few experimental works have been done. To fill the gap between theory and experimental implementation, we propose this project to experimentally study the operation, measurement and application of quantum coherence. First, based on our preliminary work, we will keep working on quantificaiton of quantum coherence, especially for the quantification method of two-qubit and more complecated quantum system and how to unite the different quantification methods; propose and implement the schemes of interconversion of quantum coherence and other quantum resources (e.g. quantum entanglement and quantum discord); study how to keep quantum coherence without being destroyed when quantum system goes througn quantum channel and other enviroment; study the applications of quantum coherence in quantum information and other quantum processes; study the advantage of quantum coherence in the research of nolocality and other fundamental problems in quantum mechanics.

随着量子信息技术的发展，量子相干性作为一种资源越来越受到人们的重视。尤其是2014年量子相干性资源理论理论的提出，大量的理论工作对相干性资源理论框架、相干性量化、相干性动力学和相干性应用等方面展开了研究，但是到目前为止，相关实验研究工作非常缺乏。本项目针对这一现状提出开展量子相干性操控、测量与应用的实验研究。在前期工作基础上进一步探讨量子相干性的度量，比如两比特及更复杂系统的相干性度量以及不同度量方法的比较和统一问题；实现不同量子资源之间的转换以及循环转换；研究在量子系统与环境相互作用中相干性不可避免遭到破坏情况下保护以及冷冻相干性的方法；研究量子相干性在量子信息和其它量子过程中相比经典方法具有的独特优势；利用相干性量化度量方法研究非局域性和波粒二象性等量子力学基本问题。本项目瞄准量子相干性资源理论相关领域研究急需的实验研究展开公关，相信本项目的相关成果会极大推动该领域的进一步深入研究。

随着量子信息技术的发展，量子相干性作为一种资源越来越受到人们的重视。尤其是2014年量子相干性资源理论理论的提出，大量的理论工作对相干性资源理论框架、相干性量化、相干性动力学和相干性应用等方面展开了研究，但是到目前为止，相关实验研究工作非常缺乏。本项目针对量子相干性资源理论及其应用并结合量子力学相关基本问题研究方面取得了一系列重要研究成果，主要成果果有：1. 实现了量子相干性和其它量子资源间的转换以及量子相干性资源的高效提取等；2. 基于虚部的量子资源理论，探讨了虚部在量子力学和量子信息中的重要性；3. 首次实现了量子集体测量，并在量子态测量，减小测量对热力学演化影响，量子定向以及量子相干性高效测量等方面验证量子集体测量的高效性； 4. 首次实现了不兼容的多参数同时达到海森堡极限精度的测量，并从物理角度回答了“超海森堡极限”并不超越海森堡不确定性问题；5. 利用测量反馈方法，实现了量子态、量子操作的高效测量和验证；5. 利用量子相干性研究过程中实现的新的测量方法研究了量子非局域性，量子导引以及纠缠判定等问题。在国内外著名期刊发表研究论文28篇，其中Science Advances（2篇），Nature communications （1篇），PRL（9篇），npj quantum information（4篇），Science Bulletins（1篇）。项目执行期间培养博士毕业生五名，本科审完成毕业论文10余篇，其中5人次获得硕士、博士国家奖学金，两人获得中科院院长奖，1人获得中科院优秀博士学位论文。通过大学生研究计划和毕业论文培养了10 余为本科毕，其中1人或者中国科学技术大学学生最高荣誉奖学金——郭沫若奖。受邀在重要国际会议做邀请报告，口头报告，张贴报告20余次。