【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，物理學(xué)院HUST-UULM中德量子傳感與量子測(cè)量國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室蔡建明教授團(tuán)隊(duì)在量子傳感與精密測(cè)量基礎(chǔ)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(xué)權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(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(xué)基本問(wèn)題及發(fā)展先進(jìn)量子技術(shù)的核心要素。當(dāng)前，如何快速有效地制備大規(guī)模的多體量子糾纏態(tài)，對(duì)量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量等量子技術(shù)都具有十分重要的科學(xué)意義。例如，大規(guī)模多體量子糾纏態(tài)的制備時(shí)間復(fù)雜度一般隨著體系規(guī)模的增加而增大，進(jìn)而從根本上制約了量子精密測(cè)量所能達(dá)到的極限精度。為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)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(cè)量,已經(jīng)建立了多體量子糾纏態(tài)制備時(shí)間復(fù)雜度對(duì)量子精密測(cè)量精度極限的制約關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了量子精密測(cè)量突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限對(duì)多體糾纏態(tài)制備時(shí)間復(fù)雜度的基本要求。
 

　　然而，由于多體量子物理系統(tǒng)的高度復(fù)雜性(描述系統(tǒng)的參數(shù)個(gè)數(shù)隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而指數(shù)性增長(zhǎng))，大規(guī)模多體量子糾纏態(tài)的理論分析與實(shí)驗(yàn)制備都仍然面臨著諸多嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。雖然Lieb-Robinson光錐指出長(zhǎng)程相互作用有助于實(shí)現(xiàn)多體量子糾纏態(tài)的快速制備，但它未能明確指出實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的具體相互作用形式。如何有效地理解和分析復(fù)雜多體量子系統(tǒng)中糾纏增長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而實(shí)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(shí)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(wèn)題，對(duì)于推動(dòng)多體量子物理以及量子信息技術(shù)的發(fā)展都至關(guān)重要。
 

　　圖1. 多體系統(tǒng)量子糾纏動(dòng)力學(xué)的非局域化(delocalization)物理圖像
 

　　為此，研究團(tuán)隊(duì)利用量子費(fèi)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(fèi)舍信息動(dòng)力學(xué)的全新框架。具體地，Krylov空間是描述量子力學(xué)算符時(shí)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(gè)等效的波函數(shù)刻畫。從這一思路出發(fā)，該團(tuán)隊(duì)將量子費(fèi)舍信息的演化對(duì)應(yīng)為二維波函數(shù)在一個(gè)關(guān)聯(lián)圖景上的非局域化過(guò)程，見圖1。當(dāng)波函數(shù)傳播到關(guān)聯(lián)圖景的極大值時(shí)，量子費(fèi)舍爾信息相應(yīng)也實(shí)現(xiàn)了(局部的)最優(yōu)值。 因而，這一框架建立了量子費(fèi)舍信息增長(zhǎng)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(diǎn)耦合系數(shù)(即Lanczos系數(shù))的特征決定。特別地，如圖2所示當(dāng)Lanczos系數(shù)呈線性增長(zhǎng)時(shí)，波函數(shù)會(huì)以指數(shù)快的速度發(fā)生非局域化，意味著此時(shí)量子費(fèi)舍信息(即體系糾纏度)的增長(zhǎng)也是指數(shù)快的。
 

圖2. Lanczos系數(shù)線性增長(zhǎng)特征可以預(yù)言量子算符波函數(shù)的快速非局域化
 

　　研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)建立了設(shè)計(jì)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子精密測(cè)量提供了清晰的物理指引，同時(shí)也對(duì)理解宏觀量子糾纏等量子效應(yīng)具有重要意義。
 

　　我校物理學(xué)院博士后儲(chǔ)耀明(物理學(xué)院2013級(jí)本科生，2017級(jí)直博生)為論文的第一作者，博士生李香北(物理學(xué)院2016級(jí)本科生，2020級(jí)直博生)參與該工作，蔡建明為通訊作者。