量子信息中心孫麓巖研究組首次在單一實驗中同時實現量子延遲選擇和量子擦除

2017年06月12日 瀏覽次數: 0

 

清華大學量子信息中心孫麓巖副教授研究組和福州大學鄭仕標教授合作，首次在單一實驗中同時實現了量子延遲選擇和量子擦除。該成果的研究論文《基于超導電路的雙重量子延遲選擇實驗》（A twofold quantum delayed-choice experiment in a superconducting circuit）近日發表于科學子刊Science Advances上 【Sci. Adv. 3，e1603159 （2017）】。

圖 1. A 經典的延遲選擇實驗。B 量子延遲選擇實驗，其中一個分束器的行為受到一個輔助量子比特的控制。 C 基于路徑探測器的量子延遲選擇實驗示意圖。通過在雙縫干涉實驗中引入一個處于“打開”和“關閉”疊加態的路徑探測器，粒子能夠同時呈現出波動性和粒子性。D 本工作實現的量子延遲選擇實驗量子邏輯圖，其中一個處于薛定諤貓態的腔作為一個量子比特在量子態空間中的路徑探測器。

波粒互補性是量子力學的基本特征。量子系統的互補屬性相互排斥，無法同時觀察到。一個重要例子是光子的波動性和粒子性依賴于測量裝置的設置，并且這兩種設置是相互排斥的。為了排除經典解釋，Wheeler提出了著名的延遲選擇的思想實驗，這對量子力學基本原理的理解有重要意義。由于該思想實驗對實驗要求非常苛刻，后來Ionicioiu和Terno【Phys.Rev.Lett.107，230406（2011）】提出了量子延遲選擇實驗：測量系統的量子相干性可以排除被測系統提前知道測量裝置的設置；粒子性和波動性這兩種互補的現象可以在同一個實驗中被觀測到，而且通過調整測量系統的疊加態還可觀測到二者之間的連續轉化。基于這種重要性，多個研究組競相在自己的實驗平臺上驗證量子延遲選擇。

圖 2. 觀測到量子比特粒子性到波動性的連續變化。

清華大學量子信息中心根據鄭仕標教授提出的理論方案，在超導量子系統中實現了一個新穎的量子延遲選擇實驗（圖1）：使用了一個獨特的設計，利用超導微波腔作為量子路徑探測器（WPD）來檢測一個超導量子比特在量子態空間中的“路徑”信息，而測量系統--經典干涉儀保持在閉合狀態。這個WPD可以處于“打開”（采集超導比特的“路徑”信息）或“關閉”（不采集）狀態，甚至是二者的量子疊加狀態。通過調節WPD處于“打開”和“關閉”的權重，粒子性與波動性之間的連續變化可以被觀測到（圖2）。通過對WPD的“打開”和“關閉”狀態進行延遲選擇，我們可以在量子比特的狀態被檢測到之后再來選擇它表現為粒子性還是波動性。和已有的量子延遲選擇實驗相比，該實驗的不同和重要之處在于，即使在延遲選擇后發現路徑探測器處于“打開”狀態，仍然可以通過擦除編碼在路徑探測器上的路徑信息，從而重新顯示出干涉條紋即波動性（延遲選擇量子擦除），實現了一個雙重延遲選擇實驗。該工作一方面展示了對量子相干的精確調控能力，另一方面有很重要的物理意義：被測系統的粒子性和波動性不是其真實屬性，它不僅依賴于對WPD狀態的延遲選擇，而且依賴于我們如何測量WPD以及將測量結果跟已經獲得的被測系統的信息進行關聯。

圖 3. A 量子比特的粒子性和波動性分別對應于路徑探測器的“打開”和“關閉”狀態，我們在測量了量子比特的狀態后才對這兩種行為進行選擇。 B 通過擦除編碼在路徑探測器上的路徑信息重新觀測到量子比特的波動性。 C路徑信息被讀出時，量子比特只顯示出粒子性，并且干涉條紋無法再恢復。

該論文的第一作者為量子信息中心博士生劉可，共同通訊作者為鄭仕標教授，段路明教授和孫麓巖副教授，其他作者還包括量子信息中心博士生徐源和王韋婷，副研究員宋祎璞。印度塔塔基礎科學研究院Vijay教授為本實驗提供了接近量子極限的放大器。

論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1603159