利用量子信息技术研究量子物理问题

Quantum information is the combination of information theory and quantum mechanics, which provides us secure information transmission and efficient information processing. However with the development of quantum information, now it is found that quantum information technology can help us to understand quantum physics deeply. This project will use the quantum information technology we developed in linear optics system and solid state memory to investigate fundamental problem of quantum physics. We especially focus on verifying macrorealism in solid state memory and investigating dynamical causality in linear optics system. The investigation of macrorealism will help us to understand Schrodinger’s cat paradox and finally find the boundary between quantum mechanics and classical mechanics. The test of dynamical causality will help us to understand causality in quantum system, which is different from causality in classical world due to uncertainty principle. These experiments will help us to understand fundamental problem of quantum physics.

量子信息是量子力学与信息论相结合的产物，它可以为人类提供更安全的信息传输过程和更高效的信息处理过程。然而随着量子信息的不断深入发展，人们发现量子信息技术反过来可以帮助我们更深刻地理解量子物理基本问题。本项目将利用研究组在线性光学系统和固态量子存储系统研究量子物理基本问题，主要包括：固态量子存储中开展宏观实在性的实验研究和在光学系统中开展动态因果实验研究。宏观实在性的研究将有助于解决薛定谔猫佯谬，最终了解量子力学与经典理论的界限问题。动态因果的实验将研究量子系统中的因果性，由于不确定关系的存在，它与经典系统中的因果性有本质的区别。这些问题的实验研究将推动我们对量子物理基本问题的理解。

在本项目支持下，项目组共发表论文141篇，包括Natur封面故事文章1篇，Nature Communications 8篇，Physical Review Letters 28篇，Science Advances 3篇。取得了一系列成果，包括：1）首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示了多模式量子中继。将相干光的存储时间提升至1小时。首次实现跨越三个自由度的复用量子存储。2）成功研制出光子频率和相位均可调控的量子模拟器，通过编程控制即可实现任意的相位消相干过程。提出基于时间复用的新型量子行走方案，建成了50步的光学量子行走实验系统，并基于该系统首次直接测量具有手征对称性的量子行走中的体拓扑不变量。3）实验上实现了海森堡极限精度的单光子克尔效应测量。首次实现了PT对称增强型量子传感器，其灵敏度比传统量子传感器提高了8.86倍。4）利用四维纠缠态实现量子密集编码，达到2.09的信道容量，创造了当前国际最高水平。验证了量子相干信息的不可加性。在高噪声环境下实现了高效的高维量子通信。首次实现了11公里的远距离量子纠缠纯化，纯化效率比此前国际最好水平提升了6000多倍。5）首次实验证实了量子力学中强于二值关联的存在。首次实验观测到非局域动量传递，验证了光子动量改变量与干涉条纹可见度之间的量化关系。首次实验观测到测量设备无关的高维量子导引，并用其产生私密量子随机数。首次实现了非局域可观测量的冯诺依曼测量，并用来实验验证复合系统中有些情形下乘法规则会失效。首次提出并实验实现了多体非局域波函数的直接测量。项目组获得2021年度国家自然科学二等奖。