近日，重慶研究院與中國科學技術大學合作，在美國物理學會旗下應用物理旗艦期刊Physical Review Applied (物理類1區)上發表了“Efficient Direct Measurement of Arbitrary Quantum Systems via Weak Measurement”的理論文章，論文揭示了基于弱測量下的密度矩陣直接測量最優方案需要滿足的兩個標準，并且首次提出了對于任意維度密度矩陣直接測量其矩陣元的最優方案。

在當今時代，有效地從海量數據系統中提取所需信息無疑具有重要意義。信息的有效提取是信息學、物理、化學、生物學等領域的一個熱門課題。在量子物理學中，量子態的研究是其核心內容之一，因為它存儲了物理系統的所有信息。直接測量任意量子態的密度矩陣元素的任務無論在理論上還是實驗上都是一個極其重要的挑戰。密度矩陣的標準測量方法是量子態重構(quantum state tomography)，它首先需要完成所有的測量，然后通過重構算法計算出所有的矩陣元信息。因此，量子態重構對于高維密度矩陣的測量，不僅受限于測量個數隨矩陣維度的指數增加，而且受限于重構算法復雜性快速增加。

近期有研究表明利用弱測量技術可以實現量子態的密度矩陣元的直接測量，從而成為測量量子態信息的另一種可選擇的方案。在這項工作中，我們提出了一個最佳方案，直接測量任意密度矩陣元只需要對每個量子比特執行一個強測量或弱測量。從而大大降低了測量復雜度，為直接測量多粒子系統密度矩陣元提供了一種有效的表征手段。該方法可應用于各種量子信息實驗系統，比如線性光學、金剛石色心、超導系統、冷原子等。如上圖所示，任何密度矩陣元素都可以通過適當的操作直接測量。這種方法在表征大規模量子系統中將有重要的應用，由此方法衍生出的技術易于擴展和集成，如集成到量子芯片等。該方法不僅對量子信息科學具有重要意義，而且對信息學、化學、生物學等相關學科也具有一定的參考意義。

上述工作得到國家重點專項、中科院青促會會員項目、國家自然科學基金、重慶市自然科學基金等支持。

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URL:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014045

DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.014045