解读｜潘建伟团队实现对稀疏多体量子态测量的指数加速

近日，中国科技大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等科学家提出了一种用量子隐形传态来求解多体量子态测量复杂度难题的方法。

该研究成果于7月15日发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上。 （《Directly Measuring a Multiparticle Quantum Wave Function via Quantum Teleportation》，通过量子隐形传态直接测量多体量子态）。澎湃新闻就该论文采访了国内的相关研究人员。

“对于实践中广泛出现的稀疏多体量子态，它可以实现指数加速测量。同时，该方法也恰好解决了实现多体量子态波函数的直接测量这样一个基础物理问题。”一位国际知名量子物理学家表示。

论文介绍：使用复值波函数描述量子是量子力学的基础理论，复值波函数的干涉也是量子计算、量子测量等技术的底层原理。然而，复数值在实际测量中不能直接获得，这使复值波函数的概念难以被把握。另外，在测量多粒子的复值波函数时，常规的层析测量法所需的观测量随着粒子数指数增长，即便只测量中等规模的量子系统也是困难的。因此，一种直接、有效测量多粒子复值波函数的方法，不仅有助于更好理解量子力学的基础概念，也有助于测量实验中不断扩大规模的量子系统。

“对于量子测量问题，测量某个分量的装置不能测量其他分量的值，这是多粒子测量困难的源头。”来自国盾量子的行业专家向澎湃新闻记者介绍说，对于单个量子比特，有办法完整测量其状态：使用三个观测量分别去测，每一个观测量对应一个测量装置，一次测一个观测量。对于多粒子系统，所需的测量装置太多，N个粒子需要3^N种测量装置组合。因此，这种需要测量全部粒子的方法不适合实际应用。

“一般来说，一个N个量子比特的量子状态有约4^N个自由参数；相应地，利用常规量子态层析方法来进行测量，需要指数级的测量配置和复杂的数据后处理。”量子物理学家表示，为了解决这个指数增长问题，这项研究提出把多体量子态密度矩阵元素依次逐个地隐形传态出来再进行测量的思路。

业内人士记者详细解释该论文的研究方法。他表示，多粒子量子系统的状态是在很多态分量上的分布，用密度矩阵来表示这个分布。论文中的方法可以直接测量一个指定矩阵元的值。测量装置根据该矩阵元对应的多粒子态分量来配置，它包含N个辅助粒子和1个探针粒子，将它们制成多粒子最大纠缠态（GHZ态），以及对这些粒子按需分别进行Bell态测量的光学系统。在具体测量某一多粒子态分量时，如果该多粒子态分量中某一粒子的态是对角元，则直接用Z观测量来测，如果不是，则用隐形传态将该粒子的状态传送到探针粒子上。全部传送成功后，探针粒子的状态就会与该多粒子态分量的逻辑量子比特表示一样。这样就把多粒子态分量的测量问题转化成一个粒子的测量问题。“相比于其他测量策略，量子隐形传态的方法不需要借助复杂的多体相干耦合演化，因此具有极大的技术可行性，使得人们能够首次从实验上实现对超过一个粒子的任意量子态进行直接测量。”前述量子物理学家表示，“同时，基于量子隐形传态方法可以非破坏性地提取多体系统的单个密度矩阵元素，可以作为一种基础的量子调控技术，用于构建新颖的量子信息处理协议。”

论文介绍了该方法在量子信息协议中的应用。一个直接的应用是量子态过滤，将分布式量子态中单个量子比特子空间的信息无损地提取出来。另一个应用是对多体量子态中两个分量之间的相对量子相位实现量子计量，将量子计量扩展到非经典相位，只需小规模的量子纠缠即可实现量子计量优势。

据了解，该方法所需的测量装置数量减少了，但实验中所需测量的次数仍然较多。“因为多粒子GHZ态的制备效率、多次隐形传态的成功率都还是比较低的，要重复多次才能有一次成功。”

“虽然难度依然很大，但至少将以前不现实的任务变得有希望了。”他表示这项研究是一项基础性方法的创新，“基础性方法的用途很多，在有目的地测量多粒子系统的部分特征时基本上都可以用，包括光量子计算机。”