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“纠缠光子对”实现对量子系统的环境调控

  中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组与芬兰、德国的研究组合作,在实验上首次实现了对开放量子系统的环境调控,观察到了开放系统的马尔科夫过程到非马尔科夫过程的突变现象。研究成果发表在12月3日的国际著名学术期刊《自然-物理》上,并被该刊《新闻与观察》栏目专门报道。

  据介绍,一百多年前,俄国数学家马尔科夫就开始了无记忆性随机过程的研究。在这类过程中,系统的信息单向地流入环境中,就像小河里的水流入大海一样,一去不复返,这就是开放系统的马尔科夫过程。但随着实验技术的不断提高,人们在越来越多的体系中发现,有些情况下流入环境中的信息可以部分甚至全部流回到系统中,这类过程被称为非马尔科夫过程。

  具有马尔可夫特性的环境会破坏量子系统特有的相干性,这就是所谓的消相干效应,它是实现量子计算和其他量子信息功能的主要障碍。这种情况下量子信息单向地流失到环境中,而环境馈还给系统的都是噪声。但如果环境是非马尔科可夫的,就能将信息返还量子系统,这样的环境可以用来构造量子存储器。然而,由于环境非常复杂,人们很难实现对它的调控。

  李传锋研究组首次实现了对开放量子系统环境的这种调控。他们制备出高纯度的纠缠光子对,将其中一个光子的偏振比特作为量子系统,把该光子的频率作为环境,通过石英片使量子系统与环境相互作用,实现系统在环境中的演化。他们创造性地在光路中加入特制的光学元件法布里-玻罗腔,通过改变法布里-玻罗腔的转动角度,利用另外一个光子做辅助探测,观察到了开放系统动力学演化的突变现象:转动到某个角度,环境的马尔可夫性突然消失,变成非马尔可夫环境;继续转动到另一个角度时,环境的非马尔可夫性又突然消失,变成马尔可夫环境。

  据了解,该成果对噪声环境中量子纠缠态的调控、量子计算、量子存储等研究具有重要意义,并开创了非马尔科夫过程定量研究的先河,对开放系统的研究将产生重要影响。
 

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