量子导引性质及其应用的实验研究

Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) steering, also called as quantum steering, stands between quantum entanglement and Bell nonlocality in the hierarchy, and possesses the unique feature which has attracted many researchers. EPR steering enriches the concepts of quantum nonlocality and is one of the hottest topics in the quantum information field. This project focuses on the experimental investigation of the feature of EPR steering as well as its applications based on the optical system. We will investigate the asymmetry of EPR steering with the simplest nontrivial measurements, and further distinguish the difference between EPR steering and Bell nonlocality with two-setting measurements. EPR steering will be used as the quantum resource in quantum simulation. One side performs the projection measurement to steer the other side to follow the evolution which could be used to implement the fault-tolerant quantum computation protocol. We will demonstrate EPR steering based on the data processing algorithm used in the machine learning and differentiate EPR steering, quantum entanglement and quantum discord. The implementation of this project will help us to get a profound understanding of EPR steering. It will also show the potential applications of EPR steering in the quantum tasks.

量子导引作为一种介于量子纠缠和Bell非局域性之间的非经典关联，以其特有的性质吸引了越来越多国内外同行的兴趣。量子导引丰富了量子非局域性的物理内容，是当前量子信息领域的研究热点。本项目将基于光学系统深入实验研究量子导引的性质及其应用。主要研究工作包括：在最少非平庸测量方向条件下研究量子导引的非对称性，并进一步区分量子导引和Bell非局域性；研究量子导引作为量子资源在量子模拟领域的应用，一方通过投影测量导引另一方进行量子演化，进而模拟容错量子计算方案；利用机器学习中数据处理的方法实现机器学习量子导引的验证，并进一步区分量子导引、量子纠缠和量子失协的不同。本项目的实施将深化对量子导引的理解和认识，展现其作为量子资源在量子任务中的应用前景。

量子导引作为一种独特的量子纠缠现象，以其特有的非对称性展现了量子非局域性这一量子力学基本问题特殊的一面。作为量子资源，量子导引在量子信息和量子模拟领域具有重要的应用前景。本项目基于光学系统开展实验研究量子导引的物理内容及应用，主要取得了如下成果：实验实现了利用空间不可分辨光子制备实用纠缠资源，并利用此纠缠资源实现了量子隐形传态；基于光子熔接门操作，将单比特量子态的信息隐藏在纠缠系统中，实验实现了量子信息的掩蔽；利用纠缠资源，实验验证了群中元素和子群之间的不从属关系，即群非成员验证问题；在单个测量方向下证实B对A的不可导引，同时利用不确定关系判据证实了A对B的导引，从而实验实现了单向量子导引；研究了多体量子导引中的非单配性质，实现了两方同时导引第三方量子态的现象；利用机器学习和弱测量的方法，通过对局域粒子的空间分布进行探测来直接测量纠缠度。在量子模拟领域中，利用单光子的16个空间模式进行编码，通过观测容错量子线路的输出结果比不编码线路的成功率更高，直接测量了容错量子计算的临界值，直观地展示了容错量子编码的优势；另外，利用单光子的9个空间模式编码模拟了仲费米子零模的拓扑保护性质，证实了其量子互文性在噪声环境中保持不变。这些工作挖掘了更多的制备纠缠资源的方法，高效地证明了不可导引的过程，展示了多体系统中更多的量子导引现象，为理解量子导引这一量子关联现象提供了更多的视角，同时也促进了机器学习在量子信息任务中的应用，为其高效探究量子力学基本问题的研究方向上奠定了基础，为量子纠缠资源在量子信息和量子模拟中的应用提供了更多的物理基础。