【儀表網 研發快訊】近日，北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)和中國人民大學張威和張翔團隊在國際上首次利用囚禁Ca+離子實驗平臺，成功實現了基于非厄米系統的無歧義量子態分辨(圖1)。該研究成果突破了傳統量子態分辨的限制，為量子信息處理提供了新的技術路徑。2025年8月24日，相關成果以”unambiguous quantum state discrimination in a PT-symmetric system of a single trapped ion”為題發表于《Advanced Science》。
在量子信息處理過程中，我們經常要對量子態進行讀取和分辨。根據量子力學基本原理，如果一個系統可能處于兩個不同的量子態，而這兩個量子態不是正交的，則無法通過單個可觀測量判定系統究竟處于哪個狀態。為了部分解決這個困難，人們發展了最小錯誤態分辨和無歧義態分辨等方案，但均存在各自的局限，無法同時實現高成功率和低錯誤率。這一限制直接影響了量子密鑰分發的安全性和量子測量的精度。近年來，具有耗散的非厄米系統展現出獨特的量子調控能力，為突破這一瓶頸提供了新的可能。理論研究表明，在非厄米哈密頓量的調控下，量子態的時間演化速度非均勻，兩個非正交態可以通過時間演化變為正交態，從而突破傳統量子測量的限制，實現無歧義的態分辨。
研究團隊通過精確調控Ca+離子能級的激光耦合與自發輻射過程，構建了高度可控的非厄米耗散系統。實驗發現，通過改變耗散參數與待區分量子態之間夾角，兩個初始非正交的量子態可在特定時間演化至正交狀態，進而通過投影測量實現無歧義的分辨。團隊首次完整繪制了實現正交化的參數空間，確定了實現量子態分辨的最小和最大耗散參數邊界，并發現了可以實現最快正交的最優哈密頓量參數(圖2)。此外，該工作還提出了基于布洛赫球幾何演化的理論框架，為理解非厄米量子動力學提供了新視角(圖1)。
圖1 非正交量子態實現正交化的幾何圖像及實驗能級圖。
圖2 非正交量子態實現正交化的參數區間。
該論文第一作者為中國人民大學博士生朱晨昊和施婷婷，通訊作者為量子院兼聘/中國人民大學張威教授和張翔副教授，其他合作者還包括量子院助理研究員丁亮宇和高級工程師鄭志月等。該工作得到國家自然科學基金委和科技部國家重點研發計劃等項目資助。
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