开放系统中的量子信息过程实验研究

Quantum information process does not exist without its surrouding. So people must deal with the complex open system and discuss the effect of environment. However, people prefer to treat the quantum system as an isolated system by trying to reduce the disturbance of quantum environment. Our recent work shows that quantum system may benefit from its environment. We have quantified the ability of open system and shown the control of non-Markovianity. Based on our previous results, we try to use the special feedback ability to prevent the decreasing of quantum entanglement in open system and to perform some quantum information protocols in open systems. Our research will give a possible solution of quantum information process in open systems.

量子信息过程的应用不能独立于环境而存在，人们很难找到一个不受外界影响的绝对孤立系统。因此，实际的量子信息过程都是在一个开放的，与环境有相互作用的系统中。由于开放系统的复杂性，以前的量子信息过程都是尽量降低环境对量子系统的影响，从而逼近一个孤立体系的近似。我们最近的工作表明，开放系统对量子系统的影响不仅是使得量子系统退相干，还有可能使得量子系统由无量子纠缠状态恢复到有量子纠缠状态，并实现了对开放系统这种能力（非马尔科夫性）的度量和控制。本项目拟在前面工作的基础上，利用开放系统的这种特殊反馈作用，提高量子纠缠在开放系统中的生存能力，并用来研究开放系统中的量子信息过程。预计该项目的顺利实施能有效提高人们在实际开放系统中传输量子信息过程的能力，为实用化的量子信息过程提供实验依据。

量子信息学经过几十年的发展，已经在相关理论和实验方面取得较大进展。然而，在真实的开放系统中，量子信息学的核心资源——量子纠缠容易受到环境的干扰，从而失去量子特性，这对量子信息学的应用是一个极大的挑战。近来，人们发现开放系统对量子系统的影响不仅是使得量子系统退相干，还有可能使得量子系统的相干性增强，这类特殊的性质称为非马尔科夫性。我们在实验上定量测量了环境的非马尔科夫性，并实现了对环境的非马尔科夫性的调控。基于此，我们拟充分利用对环境非马尔科夫性的调控能力，研究在非马尔科夫信道下的量子信息过程，从而为实用化的量子信息过程打下基础。具体研究内容包括：（1）实现非局域的量子纠缠恢复，（2）研制新型的频谱一致性较好的纠缠光源，（3）开放系统中的量子信息过程等。针对该研究内容，我们取得如下研究进展：（1）实验实现了脉冲泵浦条件下，非局域的量子纠缠恢复，并给出了纠缠恢复能力与泵浦光线宽（脉宽）的依赖关系，从而为后面进行开放系统量子信息任务打下坚实的基础，（2）实验上制备出了频谱一致性的纠缠光源（双光子纠缠源保真度达到99%），基于此，我们制备出高质量的六光子GHZ纠缠态，其保真度达到88%，从而实现了世界上最高的六光子纠缠，并用来检验六光子的非局域型，（3）基于非局域非马尔科夫信道，实现高效的量子密集编码，编码的最大信道容量达到1.89，接近采用最大纠缠态的理论上限2，（4）实验发现在噪声信道下量子纠缠不变而量子非局域性单调减少的新奇现象，（5）实验制备出高质量路径三位纠缠态，并用来实现无相容性漏洞的量子互文性的检验。（6）量子互文性产生量子非局域性的实验观测等。在该项目的支持下，申请人共发表SCI学术论文17篇，其中Physical Review Letters三篇，Physical Review Applied两篇，Physical Review A六篇，Optics Express，Scientific Reports等六篇。获批一项中国发明专利。