近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組與半導(dǎo)體所及瑞典科學(xué)家合作，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)可恢復(fù)的新型量子測(cè)量，并驗(yàn)證了量子測(cè)量過程中信息提取與量子態(tài)恢復(fù)之間的轉(zhuǎn)化等式關(guān)系，從信息提取的角度推進(jìn)了對(duì)海森堡不確定關(guān)系的理解。此成果6 月5 日在線發(fā)表在Physical Review X 上[Phys. Rev. X 4, 021043 (2014)]。

量子測(cè)量是量子力學(xué)的核心問題之一，根據(jù)馮·諾依曼假定，量子測(cè)量在提取信息的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的坍縮。近年來(lái)隨著量子信息科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)量子測(cè)量有了更深入的理解，測(cè)量過程中探針與系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度是量子測(cè)量的重要參數(shù)，耦合最強(qiáng)時(shí)即是量子力學(xué)書上通常所說的馮·諾依曼正交投影測(cè)量。進(jìn)一步的研究表明，量子測(cè)量可以被概率性的消除，即測(cè)量完成后存在相應(yīng)的操作能以一定的幾率使得系統(tǒng)恢復(fù)到被測(cè)量前的狀態(tài)。研究組的實(shí)驗(yàn)證實(shí)對(duì)于量子信息中廣泛使用的比特系統(tǒng)，量子測(cè)量提取的信息和量子態(tài)恢復(fù)幾率之間存在一個(gè)等式關(guān)系，提取的信息越多，相應(yīng)量子態(tài)恢復(fù)幾率越小。馮·諾依曼測(cè)量能提取最多的信息，但是會(huì)徹底破壞系統(tǒng)的狀態(tài)，使得量子態(tài)恢復(fù)幾率為零。

研究組利用單光子的偏振作為待測(cè)的比特系統(tǒng)，搭建了兩個(gè)高性能的量子干涉儀分別實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的測(cè)量和恢復(fù)過程。這樣的實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的量子測(cè)量，而且對(duì)于任意量子測(cè)量可以進(jìn)行最優(yōu)恢復(fù)操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美地驗(yàn)證了量子測(cè)量中信息提取與量子態(tài)恢復(fù)之間的轉(zhuǎn)化等式關(guān)系。它完全不同于不確定關(guān)系和互補(bǔ)原理等的不等式關(guān)系，豐富了人們對(duì)量子測(cè)量這一基本問題的理解，對(duì)量子測(cè)量的表征及量子信息安全具有重要意義。本成果同時(shí)從量子信息提取的角度推進(jìn)了海森堡不確定關(guān)系的深入研究。

上述研究得到了國(guó)家基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院支持。