Eksperimentel demonstration af uækvivalente gensidigt upartiske baser for kvanteinformationsbehandling

Forskergrupper demonstrerede for første gang, at uækvivalente gensidigt upartiske baser (MUB'er) har forskellige informationsekstraktionsmuligheder til kvanteinformationsbehandling. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Physical Review Letters .

Komplementære observerbare, såsom koordinater og momentum, er kernebegreber inden for kvantemekanik. De tilsvarende målinger kaldes gensidigt upartiske målinger, som er uløseligt forbundet med MUB'er.

MUB'er er dybt relateret til både komplementaritetsprincippet og usikkerhedsforholdet, og spiller en vigtig rolle i den grundlæggende undersøgelse af kvantemekanik. Det er vist, at ikke alle upartiske baser er ækvivalente. Uækvivalente MUB'er kan konstrueres, når dimensionen af ​​Hilbert-rummet er lig med eller mere end 4.

De fleste af de relaterede undersøgelser har været begrænset til de matematiske forskelle af uækvivalente MUB'er, og beskæftiger sig sjældent med begavelsesforskelle af uækvivalente MUB'er i kvanteinformationsbehandling. Derfor var forskerne interesserede i, om uækvivalente MUB'er ville vise signifikante forskelle i kvanteinformationsbehandling.

Med udgangspunkt i et simpelt kvanteestimeringsproblem foreslog forskerne en ny metode til at skelne de operationelle skel mellem uækvivalente MUB'er. Især kan estimeringstroskaben i tre kopier skelne mellem uækvivalente MUB'er i et dimension 4 Hilbert-rum.

For at lette den eksperimentelle demonstration af denne metode konstruerede forskere to 4-designs med mindre kardinaliteter i dimension 4, hvoraf den ene blev genereret med Clifford-gruppen, og den anden blev genereret ved en numerisk optimeringsprocedure.

Det 4-design-baserede ensemble af rene tilstande sikrer, at estimeringens troværdighed ikke afhænger af enhedstransformationerne, hvilket afspejler de iboende egenskaber af upartiske baser.

Forskerholdet, ved at anvende den højpræcisions multi-kopi optiske kvantepræcisionsmåleplatform, verificerede eksperimentelt, at uækvivalente MUB'er i 4-dimensionelt rum havde forskellige informationsudtrækningsmuligheder i den faktiske måling af tre-kopi kvantetilstande

Med gensidigt upartiske målinger, der blev brugt i eksperimentet til ekstraktion af kvantetilstandsinformation, blev det afsløret, at estimeringstroskaben var relateret til MUB'ernes iboende egenskaber.

Med den forskellige udvælgelse af MUB'erne adskiller den eksperimentelt opnåede maksimale troskab sig fra den minimale troskab med omkring 4%, og den reagerede godt på den teoretiske forudsigelse med kun 0,16% gennemsnitlig afvigelse.

Denne undersøgelse markerer et stort skridt fremad i studiet af uækvivalente MUB'er, og det har potentielle anvendelser i mange kvanteinformationsbehandlingsopgaver såsom kvantetilstandsestimering, sammenfiltringsdetektion og kvantekommunikation.

Forskningsgrupperne omfatter prof. Li Chuanfeng, prof. Xiang Guoyong og prof. Hou Zhibo, ledet af akademiker Guo Guangchan fra University of Science and Technology of China (USTC) fra Chinese Academy of Science (CAS), i samarbejde med professor Zhu Huangjun fra Fudan University,