近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、彭新華與理論合作者上海交通大學(xué)麻志浩等，首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新型量子不確定性等式關(guān)系。該研究成果以Uncertainty equality with quantum memory and its experimental verification 為題發(fā)表在5月17日npj Quantum Information 期刊上[npj Quantum Information 5, 39 (2019)]。 

　　    不確定性關(guān)系是量子物理的重要表征之一，在量子力學(xué)中具有重要的地位和廣泛的應(yīng)用，例如對不確定性關(guān)系的相關(guān)研究可以用來發(fā)展引力波干涉儀所需要的低噪聲科技，它在量子精密測量、量子通信等量子信息處理中也起到關(guān)鍵的作用。該關(guān)系由海森堡于1927年最早提出，說明了在微觀世界中精確確定一個(gè)粒子（例如原子核周圍的電子）的某些物理量是有限制的，人們不可能同時(shí)精確地測定一個(gè)粒子的位置和動量。1983年，牛津大學(xué)教授大衛(wèi)多伊奇（量子計(jì)算機(jī)開創(chuàng)者之一）給出了一種特殊情形下的熵形式的不確定性關(guān)系，之后Kraus 給出了一般情況下的猜想，Maassen 和 Uffink隨后證明了一般情況下的熵形式的不確定性關(guān)系。由于當(dāng)時(shí)量子糾纏還沒有引起人們的關(guān)注，這些20世紀(jì)80年代的研究都是關(guān)于單體量子態(tài)的結(jié)果。2010年，瑞士科學(xué)家Renner課題組利用馮·諾依曼條件熵，給出了有糾纏輔助情況下，兩體量子態(tài)的熵形式的不確定性關(guān)系，此一結(jié)果發(fā)表在Nature Physics上，引起了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，第二年有兩個(gè)課題組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)果，發(fā)表在同一期的Nature Physics 上。

　　另一方面，尼爾斯·玻爾于1927年提出的互補(bǔ)原理是哥本哈根詮釋的基石，指出對于任何一對不相容的可觀察量，由于不確定性關(guān)系，對其中一個(gè)可觀察量的不確定性越小，則對另一個(gè)可觀察量的不確定性就越大，反之亦然。1999年，維也納大學(xué)教授Zeilinger和他的學(xué)生Brukner在Phys. Rev. Lett.發(fā)表的論文里，利用線性熵給出了在無偏測量下，量子測量獲得的信息量的定量刻畫，發(fā)現(xiàn)在所有的無偏測量下得到的信息量正好由量子態(tài)的線性熵決定，該工作引發(fā)了一系列的后續(xù)研究。但此工作仍然是關(guān)于單體量子態(tài)的結(jié)果，沒有考慮量子糾纏的影響。

　　最近上海交通大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院教授麻志浩和南京大學(xué)教授吳盛俊、浙江工業(yè)大學(xué)副教授陳芝花、首都師范大學(xué)教授費(fèi)少明合作，給出了糾纏輔助下的無偏測量滿足的不確定性關(guān)系，他們的理論結(jié)果表明，如果考慮到量子糾纏，那么在無偏測量下的不確定度之和正好等于初始量子態(tài)的條件線性熵。該結(jié)果在量子通信如量子密鑰分發(fā)中有新穎的應(yīng)用。隨后，杜江峰和彭新華課題組設(shè)計(jì)了巧妙的實(shí)驗(yàn)，在不需要用到完全的量子態(tài)層析下，實(shí)現(xiàn)了線性熵定義的不確定度的直接測量，驗(yàn)證了包含糾纏的兩體系統(tǒng)不確定性關(guān)系的等式，其中采用的實(shí)驗(yàn)手段及數(shù)據(jù)處理方法對其它物理體系也具有很好的適用性和擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地符合理論預(yù)測，第一次給出了帶有糾纏輔助的不確定性關(guān)系等式關(guān)系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　不確定性關(guān)系是對量子物理系統(tǒng)測量結(jié)果的一種根本限制，帶量子糾纏（存儲）的新量子不確定性關(guān)系，對進(jìn)一步揭示量子物理的本質(zhì)具有重要科學(xué)意義。另外，不確定性關(guān)系的等式比之于通常的不確定性關(guān)系的不等式更加精確，在量子通信、量子精密測量等量子信息技術(shù)的應(yīng)用中有重要的優(yōu)勢。

　　中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生王恒巖為該文第一作者，彭新華、杜江峰為共同通訊作者。此項(xiàng)研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省等的資助。

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