中國科大實現糾纏系統波函數的直接測量

　　中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子力學基本問題的研究中取得重要進展，該團隊的李傳鋒、許小冶等人與斯德哥爾摩大學Yaron Kedem博士合作，首次提出并實驗實現了多體非局域波函數的直接測量。該研究成果于10月9日發表在國際權威期刊《物理評論快報》上，并入選“編輯推薦”論文。美國物理學會網站“物理新聞與評論”欄目以《直接測量糾纏態》為題專文報道本項成果。

　　波函數是量子力學最核心的概念之一，不論是單體還是多體量子系統，其狀態都可以用波函數完全刻畫。目前最常用的測量波函數的方法是量子態層析，然而該方法隨著待測系統規模的增加，對資源的消耗呈指數增長。2011年科學家們基于弱測量和弱值（Weak Value）提出單光子空間波函數的直接測量方法，避免了量子態層析中復雜的重構過程。然而對于多體特別是含有糾纏的量子系統的波函數直接測量，卻一直未能取得突破，難點在于無法提取多體系統非局域可觀測量的弱值。

　　李傳鋒研究組繼首次實現非局域可觀測量的量子測量[Phys. Rev. Lett. 122, 100405 (2019)]后，與斯德哥爾摩大學Yaron Kedem博士一起另辟蹊徑，通過巧妙構造哈密頓量，實現對多體系統局域可觀測量之和的模量（Modular Value）的測量，然后利用它與非局域可觀測量的弱值的數學關系，直接給出后者的取值。該方法成功解決了提取多體系統非局域可觀測量的弱值這一難題，可以很方便地應用到多體非局域波函數的測量中。研究組在實驗上利用雙光子超糾纏成功演示了雙光子非局域波函數的直接測量。他們將兩個光子制備到偏振和路徑分別處于最大糾纏態的超糾纏態上，再實現偏振和路徑間的相互作用，最后通過路徑指針在不同投影基下的計數直接測量出雙光子偏振態的波函數。

　　該成果首次實現多體糾纏系統波函數的直接測量，《直接測量糾纏態》一文評論該成果對未來量子信息技術中大規模糾纏系統的探測提供高效的方法（This demonstration may lead to more efficient methods for probing large entangled systems, as are imagined in future quantum information technologies）。該工作還澄清了波函數的直接測量技術源自于弱值而非弱測量，更為重要的是，對含有糾纏的多體量子系統波函數的直接測量，證明這是一項純粹的量子技術，而非基于經典的干涉過程。該方法為量子物理基本問題的研究帶來新的思路，并對量子信息技術的發展起到重要推動作用。

　　該論文共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生潘維韋與特任副研究員許小冶。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省以及博士后創新人才支持計劃的資助。

直接測量兩光子非局域波函數的實驗裝置圖