中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組和香港中文大學劉仁保研究組合作，在開放量子多體系統時序關聯的高精度測量方面取得了重要進展，利用可控物理過程合成的量子通道，提出了一種選擇性地測量開放量子多體系統中任意類型時序關聯的理論方案，并首次在核自旋體系中成功探測了四階量子時序關聯。相關研究成果于2024年5月16日以“Selective Detection of Dynamics-Complete Set of Correlations via Quantum Channels”為題在線發表于國際學術期刊《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett.132,200802 (2024)]。

物理量之間的關聯對于多體系統的理解以及量子技術的發展至關重要。為了全面描述一個物理系統的動力學，需要系統中所有的時序關聯信息，即一套動力學完備的時序關聯集合。對于量子多體系統而言，物理量（算符）的非對易性給量子關聯帶來了各種各樣復雜的不等價形式。然而，當前的測量方案只能提取少數特殊形式的時序關聯信息，到目前為止還沒有一種系統的、可行的方案來提取動力學完備集合中所有類型的時序關聯信息。2019年，香港中文大學劉仁保教授曾提出了基于連續弱測量的任意量子時序關聯測量方案[Phys. Rev. Lett.123, 050603 (2019)]。然而基于連續弱測量方法伴隨著測量次數提高，高階量子關聯信號的信噪比急劇下降，其實驗實現難度很大。因此，如何系統性、選擇性地測量動力學完備的任意量子時序關聯一直是一個具有挑戰性的科學問題。

圖：(a)量子多體系統的動力學演化衍生出各種形式的量子時序關聯。(b)任意N階量子時序關聯選擇性測量的量子線路。(c)四階量子關聯的實驗測量。(d)基于高階量子時序關聯的量子優化控制的數值模擬。

為了解決上述挑戰，彭新華研究組和劉仁保研究組合作，創新性地提出了基于可控物理過程合成量子通道的任意類型量子時序關聯選擇性測量協議，見圖(a)和(b)。該協議不僅極大程度提升了高階量子關聯的測量信噪比，降低了實驗實現的難度，而且適用于更廣泛的實驗體系，包括單自旋和系綜量子體系。利用核磁共振高精度量子控制，該工作在多自旋體系上實驗驗證了該測量協議的可行性，首次成功測量了量子多體系統中的四階量子時序關聯，見圖(c)。進一步，該工作將實驗獲得的高階量子關聯信息應用于高精度量子優化控制任務中。圖(d)中展示的數值模擬結果表明，對于單自旋量子門（如Pauli-X門），相比于以往只利用二階量子關聯信息的優化方法，當優化控制中考慮四階量子關聯修正后，可將量子門保真度從99.987%提升到99.99996%。

該工作在量子信息和量子多體物理領域具有潛在的應用價值。一方面，對量子熱庫中所有量子時序關聯信息的完全提取提供了一種完整表征量子噪聲的方法，這對量子信息技術（如量子控制和量子精密測量等）非常重要。另一方面，由于量子多體系統的動力學行為可以逐階分解為成各種量子時序關聯的疊加，對任意量子時序關聯的精確測量有助于我們更好地表征和理解量子多體系統非平衡態性質。未來方向擬通過減緩退相干效應和利用量子資源（如糾纏和壓縮）進一步提高測量量子時序關聯的信噪比和頻譜分辨率等。審稿人對該工作給予了高度評價：“It's asignificant addition to the field of quantum metrology, offeringinsights into quantum systems dynamics.”(這是量子度量領域的一項重要補充，提供了量子系統動力學的洞察方法)。

中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室吳澤博士后、北京師范大學珠海校區王評副研究員為論文的共同第一作者，彭新華教授和劉仁保教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省、新基石科學基金會等資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.200802

（中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）