中國科大首次實現任意量子時序關聯的選擇性測量

中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室教授彭新華研究組和香港中文大學教授劉仁保研究組合作，在開放量子多體系統時序關聯的高精度測量方面取得重要進展。他們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中任意類型時序關聯的理論方案，并首次在核自旋體系中成功探測了四階量子時序關聯。5月16日，相關研究成果在線發表于《物理評論快報》。

物理量之間的關聯對于多體系統的理解以及量子技術的發展至關重要。為了全面描述一個物理系統的動力學，需要系統中所有的時序關聯信息，即一套動力學完備的時序關聯集合。對于量子多體系統而言，物理量的非對易性給量子關聯帶來了各種各樣復雜的不等價形式。然而，當前的測量方案只能提取少數特殊形式的時序關聯信息，到目前為止還沒有一種系統的、可行的方案來提取動力學完備集合中所有類型的時序關聯信息。

2019年，劉仁保曾提出基于連續弱測量的任意量子時序關聯測量方案。然而該實驗實現難度很大。

為解決上述挑戰，彭新華研究組和劉仁保研究組合作，創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聯選擇性測量協議。該協議不僅極大程度提升了高階量子關聯的測量信噪比，降低了實驗實現的難度，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議的可行性，首次成功測量了量子多體系統中的四階量子時序關聯。

進一步地，該工作將實驗獲得的高階量子關聯信息應用于高精度量子優化控制任務中。數值模擬結果表明，對于單自旋量子門，相比于以往只利用二階量子關聯信息的優化方法，當優化控制中考慮四階量子關聯修正后，可將量子門保真度從99.987%提升到99.99996%。

研究人員介紹，該工作在量子信息和量子多體物理領域具有潛在的應用價值。一方面，對量子熱庫中所有量子時序關聯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，由于量子多體系統的動力學行為可以逐階分解為成各種量子時序關聯的疊加，對任意量子時序關聯的精確測量有助于人們更好地表征和理解量子多體系統非平衡態性質。

審稿人對該工作給予高度評價：“這是量子度量領域的一項重要補充，提供了量子系統動力學的洞察方法。”

相關論文信息：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.200802