PRL|北理工团队在量子验证研究领域取得重要进展- 大数跨境

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PRL|北理工团队在量子验证研究领域取得重要进展

两江科技评论

2021-03-15

导读：近日，北京理工大学物理学院尚江伟副研究员和张向东教授团队同新加坡国立大学量子科技研究中心韩睿博士合作，在量子验证研究领域取得重要进展，提出了基于非破坏测量的新的量子验证协议。

撰稿| 由课题组供稿

导读

近日，北京理工大学物理学院尚江伟副研究员和张向东教授团队同新加坡国立大学量子科技研究中心韩睿博士合作，在量子验证研究领域取得重要进展，提出了基于非破坏测量的新的量子验证协议。该协议不仅可以达到最优的验证效率，而且可以实现保真度估计和态制备等其它任务。同时该协议的测量顺序是任意的，因而便于实验实现。相关研究工作近期以“Universally Optimal Verification of Entangled States with Nondemolition Measurements”为题，发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》。

研究背景

量子验证是一种优秀的量子系统表征协议，它可以高效的判断诸如量子态的保真度是否在我们所需要的阈值之内等任务。相比于量子层析和直接保真度估计等传统的表征方法，量子验证基于精度的资源消耗从二次方降低为一次，因而在高精度的量子系统表征任务中极具优势。近两年来，尚江伟课题组与合作者在量子验证领域取得了一系列重要进展。在对任意维度两体纠缠态的验证的研究中，首次给出了可操作的对于验证协议的数值优化算法，并据此得到了最优的两体纠缠态验证协议，该研究还展现了自适应测量技术对于提高量子验证效率的优势[npj Quantum Inf. 5, 112 (2019)]（图1）。基于这一点，利用自适应测量首次实现了对于复杂多体纠缠态Dicke态的有效验证（图2），并据此给出了非自适应测量的协议，证明了自适应测量和非自适应测量协议之间的一般性关系[Phys. Rev. Applied 12, 044020 (2019)]。同时，还将量子态验证推广到了量子过程验证，实现了对于量子门以及量子测量的有效验证[Phys. Rev. A 101, 042315 (2020)]。

图 1：自适应测量协议与非自适应测量协议的验证效率比较

图 2：Dicke态验证协议的测量设置示意图

图 3：非破坏测量验证Bell态的测量设置示意图

创新研究

在前期的工作基础上，课题组发现基于原有的协议框架，量子验证存在几个方面的问题。第一，对于任意量子态的最优效率的验证协议一般而言总是很难给出的。第二，原有的量子验证协议是对多组测量设置的概率性测量，直接实现存在困难。实验上是通过以固定的顺序对每个测量设置进行多次测量，这种技术上的妥协就给可能的欺骗方留下了漏洞。第三，需要验证的未知态在验证之后已经被破坏了，因此就不能用于后续的任务。课题组通过将非破坏测量技术引入量子验证中，可以直接解决验证过的量子态被破坏的问题。基于非破坏测量，将原来概率性测量的验证协议框架改为了对于量子态进行多组不同测量设置的连续测量（图3）。证明这样的连续非破坏测量验证协议总能实现最优的测量效率，这样对于量子验证的研究就可以将目光只聚焦于测量设置上了。在这一证明中，还发现这样效率最优的连续测量与各个测量设置的测量顺序是无关的，因此非常易于实验的构建。进一步，该测量协议不仅是保护了被验证的目标态不受破坏，甚至可以将未知的非目标态以一定的概率直接投影至目标态，这个概率等于未知态与目标态之间的保真度。因此，该协议还可以用于保真度估计和态制备等任务。随着量子技术的发展，非破坏测量已经在许多平台上实现，逐渐成为一种标准的技术手段，期待相应的实验可以有效的展示出非破坏测量量子验证协议的各种特性与优势。

总结

该研究工作解决了原先量子验证协议框架中的重要问题。在理论方面，该效率最优的验证框架将原先协议设计中对于资源需求与测量设置复杂度的双重优化改进为仅需对测量设置进行优化；而在实验方面，连续的非破坏测量不仅不受测量顺序影响，且相较于概率测量更便于实现。该工作对于量子信息任务中的大规模多体纠缠态的高精度探测与表征有着重要的应用价值。

北理工物理学院刘烨超（博士生）为该工作的第一作者，尚江伟副研究员和张向东教授为通讯作者。研究团队特别致谢德国锡根大学于晓东博士和复旦大学朱黄俊教授的讨论。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划，以及北京理工大学青年教师学术启动计划的支持。