【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】西安交通大學(xué)物理學(xué)院張沛教授團隊在高維量子測量的不相容結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進展，在理論上揭示了高維多測量場景的不相容結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提出了判定不相容結(jié)構(gòu)的新方法，并基于光場軌道角動量自由度搭建高維量子系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多種不相容結(jié)構(gòu)的實驗觀測。該研究成果11月8日發(fā)表在國際物理頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
 

　　量子不相容揭示了量子測量中存在的非經(jīng)典性，描述了多個量子測量無法同時獲得精確信息的現(xiàn)象，被認為是量子信息處理任務(wù)中的重要資源，在量子非局域性、量子非互易性、量子精密測量等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。一對量子測量的不相容性已經(jīng)在實驗中得到了驗證，然而，考慮到高維復(fù)雜的量子信息處理任務(wù)，其測量會出現(xiàn)部分不相容且部分可相容的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，表征和觀測其中的不相容結(jié)構(gòu)對于基礎(chǔ)量子理論具有重要意義，并在理論構(gòu)建與實驗設(shè)計仍具有挑戰(zhàn)。
 

　　此前，張沛教授團隊在高維量子系統(tǒng)信息處理領(lǐng)域取得了多項重要進展。利用多測量設(shè)置方法揭示了高維糾纏體系中更高的量子導(dǎo)引強度，實現(xiàn)從高噪聲環(huán)境中提取高維導(dǎo)引[Phys. Rev. Lett. 128, 240402 (2022)]；提出了一種高魯棒性和高準確性的EPR導(dǎo)引維度判定方法，為單方設(shè)備無關(guān)情況下對共享量子態(tài)的維度進行可靠而準確的認證提供了有效途徑[Optica 9, 473 (2022)]；發(fā)展了新概念“真高維單向?qū)б?rdquo;以及刻畫不對稱導(dǎo)引結(jié)構(gòu)的新方法，為高維量子系統(tǒng)的不對稱場景導(dǎo)引判定以及度量提供了有效路徑[Phys. Rev. Lett. 132, 210202 (2024)]?；谝陨铣晒?，研究團隊對高維多測量場景的不相容測量結(jié)構(gòu)進行了深入研究，通過發(fā)展新的判定不相容結(jié)構(gòu)的理論判據(jù)，利用光的軌道角動量搭建高維量子制備測量場景，揭示了高維量子系統(tǒng)中的測量不相容結(jié)構(gòu)。
 

　　張沛教授團隊在理論上提出了一種新方法來將高維量子系統(tǒng)中存在的復(fù)雜測量結(jié)構(gòu)分解成更基礎(chǔ)的成對可相容測量的集合，由于違背可相容結(jié)構(gòu)的測量只能展現(xiàn)出有限的噪聲抵抗能力，因此可以構(gòu)建噪聲超平面來排除特定的可相容測量結(jié)構(gòu)從而判定對應(yīng)的測量不相容結(jié)構(gòu)的存在。團隊通過此方法給出了對稱高維相互無偏基測量的真不相容結(jié)構(gòu)的解析邊界，非對稱條件下任意高維測量的真不相容結(jié)構(gòu)的數(shù)值邊界。最后，團隊基于光子軌道角動量自由度的高維系統(tǒng)實現(xiàn)了對特定量子不相容結(jié)構(gòu)的捕獲。該研究工作展示了高維量子系統(tǒng)中多測量場景的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在高維量子信息處理任務(wù)中具有潛在的應(yīng)用前景。
 

　　西安交通大學(xué)物理學(xué)院為該論文唯一完成單位，西安交通大學(xué)23級博士生張嘯林為論文第一作者，張沛教授為論文唯一通訊作者。
 

　　近年來，張沛教授課題組開展了高維量子糾纏、高維量子通信、高維量子測量、量子精密與光場調(diào)控等基礎(chǔ)研究，主要包括基于光場軌道角動量自由度的高維量子糾纏態(tài)產(chǎn)生，并實現(xiàn)高維量子導(dǎo)引特殊結(jié)構(gòu)的驗證；高維量子密鑰分發(fā)的理論方案與實驗驗證；高維量子不相容結(jié)構(gòu)的理論方案與實驗驗證；新型結(jié)構(gòu)光場的產(chǎn)生、傳輸及檢測等。在物理科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Phys. Rev. Lett.、Light-Sci. Appl.、Optica等發(fā)表一系列重要學(xué)術(shù)論文。研究工作得到國家級青年人才計劃、國家自然科學(xué)基金、陜西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的支持。