中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組和香港中文大學(xué)劉仁保研究組合作，在開放量子多體系統(tǒng)時序關(guān)聯(lián)的高精度測量方面取得了重要進展，利用可控物理過程合成的量子通道，提出了一種選擇性地測量開放量子多體系統(tǒng)中任意類型時序關(guān)聯(lián)的理論方案，并首次在核自旋體系中成功探測了四階量子時序關(guān)聯(lián)。相關(guān)研究成果于2024年5月16日以“Selective Detection of Dynamics-Complete Set of Correlations via Quantum Channels”為題在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett.132,200802 (2024)]。
物理量之間的關(guān)聯(lián)對于多體系統(tǒng)的理解以及量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。為了全面描述一個物理系統(tǒng)的動力學(xué)，需要系統(tǒng)中所有的時序關(guān)聯(lián)信息，即一套動力學(xué)完備的時序關(guān)聯(lián)集合。對于量子多體系統(tǒng)而言，物理量（算符）的非對易性給量子關(guān)聯(lián)帶來了各種各樣復(fù)雜的不等價形式。然而，當(dāng)前的測量方案只能提取少數(shù)特殊形式的時序關(guān)聯(lián)信息，到目前為止還沒有一種系統(tǒng)的、可行的方案來提取動力學(xué)完備集合中所有類型的時序關(guān)聯(lián)信息。2019年，香港中文大學(xué)劉仁保教授曾提出了基于連續(xù)弱測量的任意量子時序關(guān)聯(lián)測量方案[Phys. Rev. Lett.123, 050603 (2019)]。然而基于連續(xù)弱測量方法伴隨著測量次數(shù)提高，高階量子關(guān)聯(lián)信號的信噪比急劇下降，其實驗實現(xiàn)難度很大。因此，如何系統(tǒng)性、選擇性地測量動力學(xué)完備的任意量子時序關(guān)聯(lián)一直是一個具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。
圖：(a)量子多體系統(tǒng)的動力學(xué)演化衍生出各種形式的量子時序關(guān)聯(lián)。(b)任意N階量子時序關(guān)聯(lián)選擇性測量的量子線路。(c)四階量子關(guān)聯(lián)的實驗測量。(d)基于高階量子時序關(guān)聯(lián)的量子優(yōu)化控制的數(shù)值模擬。
為了解決上述挑戰(zhàn)，彭新華研究組和劉仁保研究組合作，創(chuàng)新性地提出了基于可控物理過程合成量子通道的任意類型量子時序關(guān)聯(lián)選擇性測量協(xié)議，見圖(a)和(b)。該協(xié)議不僅極大程度提升了高階量子關(guān)聯(lián)的測量信噪比，降低了實驗實現(xiàn)的難度，而且適用于更廣泛的實驗體系，包括單自旋和系綜量子體系。利用核磁共振高精度量子控制，該工作在多自旋體系上實驗驗證了該測量協(xié)議的可行性，首次成功測量了量子多體系統(tǒng)中的四階量子時序關(guān)聯(lián)，見圖(c)。進一步，該工作將實驗獲得的高階量子關(guān)聯(lián)信息應(yīng)用于高精度量子優(yōu)化控制任務(wù)中。圖(d)中展示的數(shù)值模擬結(jié)果表明，對于單自旋量子門（如Pauli-X門），相比于以往只利用二階量子關(guān)聯(lián)信息的優(yōu)化方法，當(dāng)優(yōu)化控制中考慮四階量子關(guān)聯(lián)修正后，可將量子門保真度從99.987%提升到99.99996%。
該工作在量子信息和量子多體物理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。一方面，對量子熱庫中所有量子時序關(guān)聯(lián)信息的完全提取提供了一種完整表征量子噪聲的方法，這對量子信息技術(shù)（如量子控制和量子精密測量等）非常重要。另一方面，由于量子多體系統(tǒng)的動力學(xué)行為可以逐階分解為成各種量子時序關(guān)聯(lián)的疊加，對任意量子時序關(guān)聯(lián)的精確測量有助于我們更好地表征和理解量子多體系統(tǒng)非平衡態(tài)性質(zhì)。未來方向擬通過減緩?fù)讼喔尚?yīng)和利用量子資源（如糾纏和壓縮）進一步提高測量量子時序關(guān)聯(lián)的信噪比和頻譜分辨率等。審稿人對該工作給予了高度評價：“It's asignificant addition to the field of quantum metrology, offeringinsights into quantum systems dynamics.”(這是量子度量領(lǐng)域的一項重要補充，提供了量子系統(tǒng)動力學(xué)的洞察方法)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室吳澤博士后、北京師范大學(xué)珠海校區(qū)王評副研究員為論文的共同第一作者，彭新華教授和劉仁保教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省、新基石科學(xué)基金會等資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.200802
（中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
