我院郭光灿院士团队在量子信息基础研究中取得重要进展。该团队李传锋、柳必恒研究组与香港大学GiulioChiribella教授合作，在光学系统中构造了量子演化与其反向演化的相干叠加，并证实其在量子信道识别方面的优势，该成果4月16日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。
在日常生活中，时间确定地从过去流向未来的观念深入人心。然而，支配微观世界物体运动的物理定律并没有特意区分时间的方向性。更具体来说，经典力学和量子力学的基本运动方程均是可逆的，改变一个动力学过程的时间坐标系方向（可能需要一起改变其他某些参数的方向）仍然构成一个有效的演化过程。这被称为时间反演对称性，或者更准确地叫做运动反演对称性。例如，波函数ψ(x,t)是某个薛定谔方程的解，则其时间反演的复共轭ψ∗(x,−t)也同样满足该薛定谔方程。在量子信息科学中，时间（运动）反演因其在多时间点量子态、闭合时间曲线模拟、未知量子演化反转等领域的应用而备受关注。
然而，时间反演在实验上难以实现。研究组将其延伸到量子设备输入输出反转，在光学系统中构造了一类量子演化过程，当交换该演化的量子设备输入输出端口时，所得演化满足初始演化的时间反演的特性，从而得到了量子演化的时间反演模拟器。在此基础上，他们进一步对演化时间方向进行量子化，实现了上述量子演化和其反向演化的相干叠加，并利用量子目击技术实现了对该结构的刻画。相比演化时间方向确定的情形，对时间方向的量子化在量子信道识别中具有显著优势。实验中，研究组利用该装置以99.6%的成功概率区分了两组量子信道，而在相同资源消耗情况下，时间方向确定的策略成功概率最大只有89%。
图1 实验原理图。
(a)量子装置A端输入B端输出，演化方向从A到B；(b)演化方向从B到A；(c)两种演化方向相干叠加；(d)引入辅助比特进行实验实现。
图2 实现量子演化与其反向演化相干叠加的实验装置图。
文章共同第一作者为量子信息重点实验室郭钰博士和香港大学刘子旋博士。本研究得到该研究工作得到了科技创新2030重大项目、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.160201
（中国科学院量子信息重点实验室、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、物理学院、科研部）