我校郭光燦院士團隊在量子信息基礎研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、柳必恒研究組與香港大學GiulioChiribella教授合作，在光學系統中構造了量子演化與其反向演化的相干疊加，并證實其在量子信道識別方面的優勢，該成果4月16日發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上。

在日常生活中，時間確定地從過去流向未來的觀念深入人心。然而，支配微觀世界物體運動的物理定律并沒有特意區分時間的方向性。更具體來說，經典力學和量子力學的基本運動方程均是可逆的，改變一個動力學過程的時間坐標系方向（可能需要一起改變其他某些參數的方向）仍然構成一個有效的演化過程。這被稱為時間反演對稱性，或者更準確地叫做運動反演對稱性。例如，波函數ψ(x,t)是某個薛定諤方程的解，則其時間反演的復共軛ψ?(x,?t)也同樣滿足該薛定諤方程。在量子信息科學中，時間（運動）反演因其在多時間點量子態、閉合時間曲線模擬、未知量子演化反轉等領域的應用而備受關注。

然而，時間反演在實驗上難以實現。研究組將其延伸到量子設備輸入輸出反轉，在光學系統中構造了一類量子演化過程，當交換該演化的量子設備輸入輸出端口時，所得演化滿足初始演化的時間反演的特性，從而得到了量子演化的時間反演模擬器。在此基礎上，他們進一步對演化時間方向進行量子化，實現了上述量子演化和其反向演化的相干疊加，并利用量子目擊技術實現了對該結構的刻畫。相比演化時間方向確定的情形，對時間方向的量子化在量子信道識別中具有顯著優勢。實驗中，研究組利用該裝置以99.6%的成功概率區分了兩組量子信道，而在相同資源消耗情況下，時間方向確定的策略成功概率最大只有89%。

圖1 實驗原理圖。

(a)量子裝置A端輸入B端輸出，演化方向從A到B；(b)演化方向從B到A；(c)兩種演化方向相干疊加；(d)引入輔助比特進行實驗實現。

圖2 實現量子演化與其反向演化相干疊加的實驗裝置圖。

文章共同第一作者為量子信息重點實驗室郭鈺博士和香港大學劉子旋博士。本研究得到該研究工作得到了科技創新2030重大項目、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.160201

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