【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，物理學院HUST-UULM中德量子傳感與量子測量國際聯(lián)合實驗室蔡建明教授團隊在量子傳感與精密測量基礎理論方面的最新成果以“Quantum Delocalization on Correlation Landscape: The Key to Exponentially Fast Multipartite Entanglement Generation”為題發(fā)表在物理學權威期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
量子糾纏作為量子世界最典型的特征之一，是理解許多量子力學基本問題及發(fā)展先進量子技術的核心要素。當前，如何快速有效地制備大規(guī)模的多體量子糾纏態(tài)，對量子計算、量子通信和量子精密測量等量子技術都具有十分重要的科學意義。例如，大規(guī)模多體量子糾纏態(tài)的制備時間復雜度一般隨著體系規(guī)模的增加而增大，進而從根本上制約了量子精密測量所能達到的極限精度。為解決這一問題，研究團隊在此前的研究[Phys. Rev. Lett. 130, 170801 (2023) ]中將多體物理中的等效光錐(Lieb-Robinson bound)概念引入量子精密測量,已經(jīng)建立了多體量子糾纏態(tài)制備時間復雜度對量子精密測量精度極限的制約關系，并發(fā)現(xiàn)了量子精密測量突破標準量子極限對多體糾纏態(tài)制備時間復雜度的基本要求。
然而，由于多體量子物理系統(tǒng)的高度復雜性(描述系統(tǒng)的參數(shù)個數(shù)隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而指數(shù)性增長)，大規(guī)模多體量子糾纏態(tài)的理論分析與實驗制備都仍然面臨著諸多嚴苛的挑戰(zhàn)。雖然Lieb-Robinson光錐指出長程相互作用有助于實現(xiàn)多體量子糾纏態(tài)的快速制備，但它未能明確指出實現(xiàn)這一目標的具體相互作用形式。如何有效地理解和分析復雜多體量子系統(tǒng)中糾纏增長的動力學，進而實現(xiàn)大規(guī)模多體量子糾纏態(tài)的快速制備，特別是指數(shù)快的制備速度(即制備時間不隨著體系的規(guī)模增加而增大)，是目前亟待解決的難題。系統(tǒng)性解決這一問題，對于推動多體量子物理以及量子信息技術的發(fā)展都至關重要。
圖1. 多體系統(tǒng)量子糾纏動力學的非局域化(delocalization)物理圖像
為此，研究團隊利用量子費舍信息這一物理量度量多體量子態(tài)的糾纏度，基于Krylov方法建立了分析量子費舍信息動力學的全新框架。具體地，Krylov空間是描述量子力學算符時間演化的最小完備子空間，在這一子空間中算符可以由一個等效的波函數(shù)刻畫。從這一思路出發(fā)，該團隊將量子費舍信息的演化對應為二維波函數(shù)在一個關聯(lián)圖景上的非局域化過程，見圖1。當波函數(shù)傳播到關聯(lián)圖景的極大值時，量子費舍爾信息相應也實現(xiàn)了(局部的)最優(yōu)值。 因而，這一框架建立了量子費舍信息增長與算符波函數(shù)非局域化速度之間的深刻聯(lián)系，而后者由Krylov空間中不同格點耦合系數(shù)(即Lanczos系數(shù))的特征決定。特別地，如圖2所示當Lanczos系數(shù)呈線性增長時，波函數(shù)會以指數(shù)快的速度發(fā)生非局域化，意味著此時量子費舍信息(即體系糾纏度)的增長也是指數(shù)快的。
圖2. Lanczos系數(shù)線性增長特征可以預言量子算符波函數(shù)的快速非局域化
研究團隊的發(fā)現(xiàn)建立了設計多體量子系統(tǒng)快速制備多體量子糾纏態(tài)的基本方法，為基于多體量子物理體系制備多體量子糾纏態(tài)進而實現(xiàn)量子計算和量子精密測量提供了清晰的物理指引，同時也對理解宏觀量子糾纏等量子效應具有重要意義。
我校物理學院博士后儲耀明(物理學院2013級本科生，2017級直博生)為論文的第一作者，博士生李香北(物理學院2016級本科生，2020級直博生)參與該工作，蔡建明為通訊作者。
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