基于多比特超纠缠体系的量子噪声模拟与量子相干性恢复的实验研究

Quantum entanglement is the core resource of quantum information processing. Its powerful information processing ability comes from the coherent superposition of quantum states. However, due to the influence of inevitable environment noise and measurement noise, the coherence can easily be destroyed, leading to the failure of the information processing process. Thus, it is critical to study the impact of all kinds of noise on the quantum information processing, explore new ways to reduce or inhibit decoherence and achieve high quality entangled system when there is noise. Using the hyper-entangled and weak measurement technology, we will carry out the experimental simulation of environment, measurement and rotation noise, especially the hyper-entangled noisy channel simulation, and reveal the entanglement system dynamic evolution process. At the same time, we will study the relationship between the bit number, the quantum nonlocality and the intensity and type of noise, and validate the relationship using the multi-bit Bell inequality. Then, using the weak measurement and single-bit recovery technique, we want to explore new methods to recover the quantum coherence of multi-bit system and realize high quality entanglement system. Our works can provide experimental support for the practical application of quantum communication and quantum computation. As the difficult and hotspot field of quantum information, this topic has important experimental significance and application value.

量子纠缠是量子信息处理的核心资源，其强大的信息处理能力来源于量子态的相干叠加性，而由于环境和测量噪声的影响，其相干性很容易被破坏，导致信息处理的失败。因此实验上研究各种噪声对量子信息处理过程的影响，探索减少或抑制消相干的新方法以及在有外界噪声时实现高品质多比特纠缠体系就显得至关重要。本项目以超纠缠和弱测量技术为基础，开展基于多比特纠缠源的环境、测量和旋转噪声，特别是超纠缠体系空间模式比特噪声信道的模拟研究，揭示纠缠体系动力学演化过程和噪声影响的物理机制。同时研究比特数目，量子非定域性等与噪声类型和强度的关系，并用多比特Bell型不等式等验证此关系。然后利用弱测量和单比特相干性恢复技术等探索多比特体系量子相干性恢复的新方法，最终实现稳定性强、品质高的多比特纠缠体系，为量子通信和量子计算的实际应用提供实验支持。本研究内容是量子信息领域一个亟待解决的难点和热点问题，具有重要的实验意义和应用价值。

量子纠缠是量子信息处理的核心资源，其强大的信息处理能力来源于量子态的相干叠加性，而由于环境噪声和测量噪声的影响，其相干性很容易被破坏，导致信息处理的失败。因此实验上模拟并实现常见的量子噪声，研究各种噪声对量子信息处理过程的影响，给出退相干时的物理规律并最终实现高品质多比特纠缠体系就显得至关重要。本文首先利用1/4波片、1/2波片、Fabry-Perot干涉腔、不同厚度的石英片、处于布鲁斯特角的玻璃片等组合实验上分别成功模拟实现了比特-翻转、比特-相移、翻转-相移混合、相位阻尼及振幅衰减等常见量子噪声。然后基于一阶和二阶参量下转化效应、超纠缠、干涉增强及多种优化技术制备了保真度可分别达0.997、0.891和0.84的两光子、Spin-1四光子-六比特纠缠与超纠缠体系。最后，基于高品质的两比特纠缠系统，通过构建及测量量子旋转矩阵的方法，实验上首次验证了S=1/2的信息熵理论不等式及类Clauser-Horne-Shimony-Holt不等式。利用四光子-六比特超纠缠态实验上展示了多比特贝尔型Ardehali不等式，并研究了各不等式的鲁棒性。实验上利用保真度、信息熵差及多比特贝尔型不等式作为判据分别给出了不同噪声信道和不同噪声环境下多光子(超)纠缠体系的纠缠演化的规律，结果表明比特翻转噪声相对于相移噪声更易破坏纠缠特性，而对于同一种噪声模式，光子对经过两路噪声信道时纠缠特性下降得快，对于同一种噪声模式，非集体噪声破坏纠缠特性的能力大，使纠缠特性破坏的非集体比特翻转和相移噪声强度I分别为0.08和0.14，而使纠缠特性破坏的集体比特翻转和相移噪声强度I可分别达到0.14和0.23。本研究内容是量子信息领域一个亟待解决的难点和热点问题，对实现安全有效的量子通信和量子计算具有重要的实验意义和应用价值。