量子纠缠与关联动力学过程的实验研究

量子纠缠与关联的动力学过程研究是目前量子信息领域的前沿课题之一。本项目主要对纠缠及其他各种关联在不同消相干环境下的动力学过程进行实验研究。通过对纠缠独特演化方式（如纠缠的突然死亡现象）的深入研究，进一步理解和应用纠缠。在纠缠演化过程中，对量子体系进行幺正和非幺正操作，研究它们对纠缠动力学演化过程的影响，实现纠缠的可控性恢复。理论分析量子体系中其他各种关联的度量，并对量子体系中经典关联和量子关联的动力学演化进行实验研究，分析验证它们之间的相互关系。制备量子关联大于经典关联的量子态。进一步研究经典关联和量子关联在特定消相干环境下保持不变的性质，分析解释其内在机理。通过控制纠缠体系在消相干环境下的关联参数，实现纠缠的非局域性恢复。寻找合适物理量来度量多体纠缠，探讨研究多体纠缠的动力学演化情况，并分析其与两体纠缠演化的异同之处，进一步理解多体纠缠动力学过程的特殊性。

本项目进展顺利，设定的基本目标已经实现。在该项目的支持下，我们进行了一系列关于量子纠缠和量子关联动力学演化过程的实验研究，并取得了显著成果。我们深入研究经典噪声和量子噪声的异同，首次在实验上实现量子纠缠和量子关联在无反作用经典噪声环境中的恢复（Nature Communications 4, 2851 (2013)）。我们还深入分析马尔科夫和非马尔科夫演化的特点，研究了经典关联和量子关联在非马尔科夫环境下的演化特性，发现实现经典关联恢复对环境非马尔科夫性的要求比实现量子关联恢复更高（Physical Review A 82, 042328 (2010)）。由于我们在量子关联动力学演化方面所做的工作，我们应邀撰写了关于两体系统量子关联演化的综述文章（International journal of Modern Physics B 27, 1345054 (2013)）。基于对各种噪声特性的深入理解，我们进一步研究了消相干环境下的一些量子物理的基本问题。物理冷却可以降低热噪声的影响，而在绝对零温附近，传统的物理方法已经很难将还处于激发态的粒子冷却到基态上。量子冷却可以进一步区分激发态和基态。我们提出一个麦克斯韦妖式的量子算法冷却方法并在光学系统中实验实现其原理性的演示（Nature Photonics 8，113（2014））。我们通过利用自旋回声的办法来克服关联噪声，构造了一个保偏光纤式的量子存储器并利用这个存储器存储两个纠缠光子的其中一个，验证了纠缠辅助下熵的不确定原理（Nature Physics 7, 752 (2011)）。通过将包含宏观实在性和非入侵式测量假定的Leggett-Garg不等式推广到单比特系统，我们实验研究了消相干情况下Leggett-Garg不等式的违背情况。我们的工作表明Leggett-Garg不等式可以用于刻画经典实在描述的界限（Scientific Report, 1, 101 (2011)）。我们还研究了部分量子测量对量子纠缠的影响，并通过恢复操作实现量子纠缠的非局域恢复（Physical Review A 83, 010101(R) (2011)）。我们还进一步利用弱测量研究宽谱光源在量子相位精密测量中的应用，大大简化了高精度相位估计的实验要求（Physical Review A 83, 044102 (2011)）。