中国科大首次利用演化的特征谱观测非马尔可夫性

中国科学技术大学

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中国科大首次利用演化的特征谱观测非马尔可夫性

2018-04-02

  中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在开放量子系统的实验研究中取得重要进展,该实验室李传锋、唐建顺等人首次实验实现动力学演化过程的特征谱测量,并用来探测演化的非马尔科夫性。该研究成果2月8日发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。
  开放量子系统不可避免地与环境相互作用,一般情况下系统的信息会不断地流入环境,这就是马尔科夫过程。然而有些情况下,比如环境比较小时,系统流入环境的信息可以部分甚至全部地回流到系统中,这就是非马尔科夫过程。探测演化过程的非马尔科夫性是近十年来开放量子系统的研究焦点。早在2011年,李传锋研究组即率先开展了非马尔科夫性的定量实验研究,并首次观察到马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变现象[Nature Physics 7, 931 (2011)]。2014年,理论物理学家们进一步把非马尔科夫过程做了细分:如果系统流入环境中的信息部分回流,则为弱非马尔科夫过程;如果信息全部回流,则为完全(essential)非马尔科夫过程。
  冯·诺依曼的谱理论是量子力学的数学基础之一,已经被广泛应用到各个领域。几乎每个量子系统都有其特征谱,比如原子系统的特征谱线等等。最近的理论研究把谱理论推广到了开放量子系统的动力学演化过程,并发现利用演化的特征谱可以方便地探测完全非马尔科夫过程:如果演化过程的特征谱乘积的导数出现大于零的值,则这个演化一定是完全非马尔可夫的。
  然而实验探测动力学演化的特征谱并非易事,因为这一理论是建立在几个算子之上的,而算子是无法在实验中制备的。为此,李传锋研究组提出用两个量子态单独演化的结果来实现所需的算子,并证明对于任意维度的演化过程,总可以找到两个量子态来等效实现所需的算子。实验中,研究人员利用光子的偏振态作为量子系统,光子的空间模式作为量子系统的环境,通过一系列小型偏振分束器把量子系统与环境耦合起来,并模拟系统的演化过程。他们分别对所制备的初态进行演化,并对末态进行量子态层析,最后通过一系列线性运算得到演化的特征谱,并利用特征谱方法准确地探测不同环境中演化的完全非马尔可夫性。
  本研究成果扩展了谱理论的应用范围,并提供了利用演化的特征谱探测非马尔可夫性的新方法,它相比于传统方法更加简单有效,并且不需要辅助粒子和量子纠缠等资源。本成果为开放量子系统的进一步深入研究打下了重要基础。
  文章第一作者为博士研究生俞上。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。
测量信道本征值谱的实验光路图 
(中科院量子信息重点实验室、量子信息和量子科技前沿创新中心、科研部) 
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