物理学院何琼毅教授、龚旗煌院士课题组在远程制备非高斯量子态方面取得重要进展

物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、“极端光学创新研究团队” 何琼毅教授和龚旗煌院士课题组与合作者揭示了量子导引在远程制备具有Wigner负性的多模非高斯量子态中的重要作用，发现Wigner负性不能自由地分配在多用户之间，存在一定的约束关系。随即，课题组与山西大学光电研究所苏晓龙教授研究组合作，在光学平台上首次实验实现...

　　

作为量子通信、量子计算和量子精密测量等技术的重要资源，量子纠缠的相关研究一直是国际科技界激烈竞争的焦点。量子导引是一类特殊的量子纠缠，由于具有方向性和不对称性独特性质，近年来备受关注，与其相关的理论和实验研究发展迅速；与此同时，具有Wigner负性的非高斯量子态也是一类重要的非经典态，是连续变量系统中实现通用量子计算的重要资源，虽然制备难度大，但具有广阔的应用价值。最近，人们发现利用量子导引的非局域效应，通过在被导引方施加本地操作可以在导引方远程制备出具有Wigner负性的量子态。面向构建量子网络的实际需求，如何在多用户量子系统中远程制备、度量Wigner负性成为亟待解决的关键科学问题。

近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、“极端光学创新研究团队”何琼毅教授和龚旗煌院士课题组与法国索邦大学Nicolas Treps教授研究组合作，基于多模连续变量系统，从定量的角度研究了多用户场景中Wigner负性的远程制备和分配机制，展示了量子导引在多用户间制备Wigner负性中不可替代的作用（图1），并通过构建Coffman-Kundu-Wootters（CKW）型约束关系，揭示了Wigner负性资源无法在各用户间自由分配，严格证明了产生的集体Wigner负性总是大于等于个体资源的和；此外，对于减光子这类典型的非高斯操作，研究结果指出远程产生的Wigner负性大小可以完全由系统初始量子态的纯度刻画，并提供了一种更便捷的度量方法。

图1. 基于量子导引远程制备非高斯态示意图。（a）具有高斯量子导引的初态；（b）在被导引方Alice处做本地操作后，导引方Bob处量子态由高斯初态变为具有Wigner负性的非高斯态

在理论研究取得突破后，何琼毅、龚旗煌课题组随即与山西大学光电研究所苏晓龙教授研究组进一步合作，基于双模EPR纠缠光场首次实现了远程制备具有Wigner负性的非高斯态，验证了量子导引和产生的Wigner负性之间的定性、定量关系。实验原理和实验装置如图2所示。将制备的高斯EPR纠缠光场通过损耗信道分别传输给Alice与Bob，二者分别利用平衡零拍探测系统重构EPR纠缠态光场的协方差矩阵，检验其所具备的高斯量子导引能力。随后，Alice将其收到的光场反射约4%，经过滤波系统后进入超导纳米线单光子探测器，实现减光子操作。当单光子探测器接收到一个光子时，表明Alice处的减光子操作成功，Bob端的量子态塌缩为具有Wigner负性的非高斯态，实现非高斯态的远程制备。通过调控Bob端的信道传输效率，实验验证了仅在Bob具有对Alice量子态的高斯量子导引能力时，Bob端才可以获得具有Wigner负性的非高斯态。此外，联合研究团队在该工作中也展示了远程产生的Wigner负态在量子精密测量中具有优越的计量能力。

图2.（a）远程制备具有Wigner负性非高斯态的实验原理图;（b）实验装置图

量子纠缠和Wigner负性都是量子世界的内禀属性，上述研究成果展示了它们之间存在更深层的联系，不仅可以丰富我们对量子力学基本原理的认识，也为未来构建具有丰富量子资源的量子网络提供了理论基础与实验支持。该系列工作的理论部分以《远程制备Wigner负性的分配与度量》（“Distribution and quantification of remotely generated Wigner negativity”）为题，2022年3月2日在线发表于《npj - 量子信息》（npj Quantum Information），北京大学物理学院特聘副研究员项玉、2018级博士研究生刘殊恒为共同第一作者，何琼毅为通讯作者；实验部分以《基于量子导引远程制备Wigner负性实验》（“Experimental demonstration of remotely creating Wigner negativity via quantum steering”）为题，2022年5月17日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），刘殊恒与山西大学光电研究所博士研究生韩冬梅为共同第一作者，何琼毅与苏晓龙为共同通讯作者。

上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金，以及北京大学长三角光电科学研究院、山西大学极端光学协同创新中心等支持。