苏晓龙教授研究组在远程制备非高斯态方面取得重要进展

近期，实验室苏晓龙教授研究组和北京大学物理学院现代光学研究所何琼毅教授研究组合作实现了基于量子导引远程制备非高斯态的实验工作。研究成果于5月17日，以「Experimental demonstration of remotely creating Wigner negativity via quantum steering」为题发表于Phys. Rev. Lett. 128, 200401 (2022)。

具有Wigner函数负值的非高斯态在量子计算和量子精密测量中具有重要作用。制备这样的量子态一般通过高阶相互作用或者在高斯态上进行减光子操作，而这两种方式只能产生局域的非高斯态。面向量子网络及量子信息处理，基于远距离节点之间的量子纠缠实现远程量子态制备是一个重要的研究课题。和传统的量子隐形传态相比，远程态制备基于量子纠缠将发送端已知的量子态安全传输给接收端。这种量子信息处理的方式具有安全性高、无需Bell态探测等优势。远程制备具有Wigner负值的非高斯态和高斯量子导引这一基本量子关联有紧密的联系，但是目前还缺少相应的实验研究。

苏晓龙教授研究组和北京大学物理学院现代光学研究所何琼毅教授研究组合作开展了基于高斯量子导引远程制备具有Wigner负值的非高斯态的研究工作，验证了高斯量子导引和远程制备的Wigner负值之间的关系。实验原理和实验装置如图1所示。高斯Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）纠缠态的一个模式经过损耗信道传输给Alice，另一个模式经过损耗信道传输给Bob。Alice和Bob分别通过平衡零拍探测系统测量了EPR纠缠态光场的协方差矩阵，量化了其所具备的高斯量子导引能力。随后，Alice将其收到的光场反射约4%，并经过滤波系统后进入超导纳米线单光子探测器，实现减光子操作。当单光子探测器接收到一个光子时，Bob端的量子态塌缩为一个具有Wigner负值的非高斯态，实现非高斯态的远程制备。通过改变Bob端的信道传输效率，实验验证了仅在Bob具有对Alice量子态的高斯量子导引能力时，Bob端才可以获得具有Wigner负值的非高斯态。

图1 (a)远程制备非高斯态的原理图。(b)实验装置。

该实验以连续变量高斯量子资源为基础，结合单光子探测这一离散变量量子信息的关键技术，实现了非高斯态的远程制备。这是一种典型的结合连续变量和离散变量的混合型量子信息处理。该工作实验验证了远程制备具有Wigner负值的非高斯态和高斯量子导引之间的联系，为远程制备多模非高斯态和实现远程量子信息处理任务奠定了基础。

北京大学刘殊恒博士和山西大学光电研究所韩冬梅博士为该论文的第一作者，北京大学何琼毅教授和山西大学光电研究所苏晓龙教授为论文的共同通讯作者。该项目获得了国家自然科学基金、山西省「1331」工程重点学科建设基金等基金的支持。

近年来，苏晓龙教授研究组围绕高斯量子导引这一研究方向，与北京大学何琼毅教授研究组、南京大学张利剑教授研究组合作完成了系列研究工作。相继实现了高斯Cluster态量子导引分发并验证了量子导引的单配性关系[Phys. Rev. Lett. 118, 230501 (2017)]，发展了基于可分态传输实现量子网络中高斯量子导引分发的新方法[Phys. Rev. Lett. 125, 260506 (2020)]，研究了噪声信道高斯量子导引的死亡和恢复[npj Quantum Information 7, 65 (2021)]，完成了轨道角动量复用的高斯量子导引在噪声信道的分发[Photon. Res. 10, 777 (2022)]，实现了高斯量子导引的提纯[npj Quantum Information 8, 38 (2022)]，并实现了远程制备具有Wigner负值的非高斯态[Phys. Rev. Lett. 128, 200401 (2022)]。所取得的一系列研究成果极大地推动了量子导引领域的发展。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.200401