量子态的精确测量与分辨实验研究

With the development of quantum information and quantum metrology and their aim to practicality, we need more and more precise quantum state preparation, operator and measurement, which should be based on measuring and discriminating quantum state with high precision. Here we propose to simplify the methods of quantum state measurement and discrimination and improve the precision of it. We will use the matrix product state to realize the first quantum state tomography with that the measurement bases are increased linearly with number of qubits. We will try to reduce the complexity of quantum state reconstruction and reconstruct the density matrix of the maximum number of qubits. We will optimize the choice of measurement bases and distribution of quantum resource by using adaptive measurement and quantum feedback control to improve precision, and try to propose and realize the first adaptive quantum state tomography scheme for two qubits states. We will use quantum feedback control and quantum random walk to discriminate.quantum signals with precision beating standard quantum limit or more precisely. We will investigate how the basic principle of quantum mechanics affects the precision of measurement and discrimination of quantum state, and demonstrate the lower bound of multi-parameter. The success finish of this project will promote the development of quantum information and quantum metrology.

伴随着量子信息和量子计量学的实用化发展，更精确的量子态制备、操控和测量越来越重要，而这些都需要精确的量子态的测量与分辨技术作为基础。本项目将围绕如何实现量子态的测量与分辨方法的简化或者精度的提高等方面开展实验研究。利用矩阵直积态等方法在实验上首次实现测量复杂度随着比特数线性增长的量子态层析方法；改进量子态层析方法中现有重构算法，降低计算复杂度；结合自适应测量和反馈控制的方法，利用已知的部分信息优化下一次测量基的选择和资源的分配方式来提高测量精度，试图完成世界上首个两比特量子态的自适应测量实验研究。利用反馈控制和量子随机行走等方式实现量子态的精确分辨。探讨量子物理学基本原理对量子态精密测量与分辨中多参数估计精度的影响，并实验验证相关精度下界。本项目围绕量子信息和量子计量学前沿重要问题展开研究，其成果必将推动量子信息和量子计量学的进一步发展。

伴随着量子信息和量子计量学的实用化发展，更精确的量子态制备、操控和测量越来越重要，而这些都需要精确的量子态的测量与分辨技术作为基础。本项目围绕如何实现量子态和信道的测量与分辨方法的简化或者精度的提高，量子相干性资源理论等方面开展实验研究。项目取得的主要成果有：1. 将现有方法重构14量子比特需要以年为的重构时间减少到3.35小时；2. 利用两步自适应反馈控制方法实现了达到Gill-Massar下界的单量子比特态的自适应层析测量；3. 实现测量精度随所采用的量子态备份数N 成反比（1/N）的在线反馈控制的量子态层析；4. 利用线性回归算法首次完成了两量子比特态的自适应量子层析测量；5. 提出并在实验上验证了一种量子滤波的方法实现了两类四比特量子态的区分；6. 设计实现了20年前提出的一种全新的量子测量方法——量子集体测量，并应用在量子比特态测量中，展现出了量子集体测量的优势；7. 利用自适应测量和贝叶斯估计反馈方法实现了量子态传输过程中改变点的测量；8. 利用量子集体测量方法设计实现了减小测量对量子热力学过程的影响； 9. 利用不确定性关系提出的不等式实现了噪声信道下量子纠缠探测； 10. 利用量子控制的方法实现非对易量子信道中单参数的海森堡极限精度测量。项目执行期间在Nature communications，Science Advances，Physical Review Letters共发表论文等国际著名期刊发表SCI论文19篇。培养博士毕业生五名。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。