我校郭光燦院士團隊在量子態(tài)分辨研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、項國勇、侯志博研究組在最小資源消耗的量子態(tài)分辨問題中首次提出了全局最優(yōu)自適應(yīng)策略，并發(fā)展了自適應(yīng)集體測量實驗技術(shù)，實驗結(jié)果相比國際最好方法節(jié)省約30%資源。該研究成果于3月14日在線發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

量子世界的一個核心特征是兩個量子態(tài)一般不正交，且不正交的量子態(tài)不能完美區(qū)分，這一方面為量子信息技術(shù)安全性提供了保障，另一方面也使得量子態(tài)區(qū)分成為量子信息科學(xué)中有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)問題。實際量子信息任務(wù)中通常考慮最小消耗量子態(tài)分辨問題，即在給定分辨錯誤率要求下，如何設(shè)計最優(yōu)測量策略使得平均消耗量子態(tài)拷貝數(shù)最少。當前國際上最好測量方法是最優(yōu)固定測量，即對所有消耗資源采用相同測量。這種方法第一個局限性是固定測量，不能充分利用測量過程中得到的信息；第二個局限性是局域測量，不能全局提取量子態(tài)信息。

項國勇等人針對上述局限性首先提出全局最優(yōu)自適應(yīng)策略，既充分利用了測量過程得到的信息，也將局域測量拓展到集體測量。并基于測量輪次平移對稱性，給出了該自適應(yīng)策略的快速收斂迭代算法。限制在局域測量時，平均消耗量子態(tài)拷貝數(shù)比國際當前最好方法節(jié)省16.6個拷貝（24%），稱為局域界限。項國勇等人在近年著力發(fā)展的固定兩拷貝集體測量技術(shù)基礎(chǔ)上[Nat. Commun. 9,1(2018); Sci. Adv. 5, 2375 (2019); PRL 124, 060502(2020); PRL 125, 210401(2020); PRapplied 20, 044032(2023)]，進一步發(fā)展了自適應(yīng)兩拷貝集體測量技術(shù)。實驗上實現(xiàn)了基于自適應(yīng)量子集體測量技術(shù)的全局最優(yōu)自適應(yīng)量子態(tài)分辨策略。在錯誤率0.01%要求下，分辨二維量子混態(tài)消耗的拷貝數(shù)顯著打破了局域界限，節(jié)省了3.9個拷貝（6.0%）。

圖1全局最優(yōu)自適應(yīng)策略及其迭代求解算法，以及自適應(yīng)集體測量用于量子態(tài)分辨的實驗結(jié)果。

該工作在理論上提出了適用于一切錯誤率要求和所有單向測量形式的全局最優(yōu)自適應(yīng)策略，該策略可以拓展到更為復(fù)雜的多個、高維量子態(tài)分辨情形，極大推進了最小消耗量子態(tài)分辨問題的理論研究。實驗上也將集體測量技術(shù)從固定測量發(fā)展到自適應(yīng)測量，首次展示了自適應(yīng)集體測量技術(shù)的強大信息提取能力，這種測量能力有望應(yīng)用于其他量子信息任務(wù)。

中國科大少年班學(xué)院本科生田博軒為論文第一作者，通訊作者為我校項國勇教授和侯志博教授。該項研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和教育部的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.110801

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