我院首次完成量子关联与经典关联的动力学实验（自然子刊） [2010-11-03]

　　近日，中科院量子信息重点实验室在世界上率先完成了量子关联和经典关联在噪声环境下的演化的实验研究，该成果发表在2010年4月12日的国际权威学术期刊《自然》子刊《自然-通讯》创刊号上。[Jin-Shi Xu, Xiao-Ye Xu, Chuan-Feng Li, Cheng-Jie Zhang, Xu-Bo Zou, Guang-Can Guo, Nature Communications，10.1038，1005 (2010)]

　　在量子信息科学发展的初期，人们认识到纠缠是量子信息技术优越性的关键所在。然而随着近几年的深入研究，人们发现了一个更普遍的概念—关联，它反映了量子态各部分之间的相互联系。关联可分为经典关联和量子关联，而纠缠只是量子关联中特殊的一类。人们发现，没有纠缠的量子关联也能实现许多量子信息过程，而且量子关联可以用来解决诸如相变等物理难题。但作为量子通信和量子计算领域重要资源的量子关联非常脆弱，很容易被环境破坏而消失，如何解决这一问题，一直是对学术界的极大挑战。

　　另一方面，尽管量子关联与经典关联越来越热门，现实情况是仅仅是对量子关联的定义就有几种，并没有得到一种统一的公认的度量方式。我们巧妙地克服了以上难题，在世界上率先完成了量子关联和经典关联在噪声环境下的演化的实验研究，取得了许多意想不到的成果。

图一：实验装置图

　　中科院量子信息重点实验室在光学系统中制备出各种贝尔对角态，用它们作为初始态在消相干环境中进行传输，在实验上研究关联的演化。对于我们制备的这种态，现有的各种对量子关联和经典关联的定义恰恰相等，亦即无论按哪种定义，实验结果都是一样的。这是世界上首个关联动力学的实验研究。

 
图二：量子关联无消相干子空间
 

　　中科院量子信息重点实验室在世界上首次发现了一类初态，其量子关联能在很大范围的消相干环境中不被破坏，称之为量子关联无消相干子空间，并发现这类初始态在环境中存在从经典消相干突然跃迁到量子消相干这一奇异现象。同时，我们还验证了量子关联与经典关联在消相干演化过程中的突变现象。并证实，某些特殊的初始态在演化过程中量子关联可以大于经典关联，推翻了以前文献中经典关联一定大于等于量子关联的猜想。这项成果将极大地推动量子关联的物理学研究及其应用研究，尤其是量子关联无消相干子空间和关联演化中的突变现象，更是值得深入探索的重要科学问题。

图三：另外两种初态的关联演化情况
 

　　《自然-通讯》的编辑在与我们交流要把文章发表在创刊号的来信中写到“……我们将能够在创刊号上发表此文章，这将是量子信息行业的一个重要里程碑……”（……we will be able to publish it with the first issue of the journal, which would be an important milestone for the quantum information community,……）。

　　该文章发表不久，已经在arXiv.org上被多次引用。其中L. Mazzola等人在已经被《物理评论快报》（Physical Review Letters）接收发表的题为《从经典到量子消相干的突变》（Sudden transition between classical and quantum decoherence）的文章专门研究了我们实验中证实过的经典消相干到量子消相干的突然跃迁，文中称赞我们的实验结果“将为量子理论的一个最基本和令人着迷的方向带来曙光”（will shed new light on one of the most fundamental and fascinating aspect of quantum theory）。