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儀表網 研發快訊】西安交通大學物理學院張沛教授團隊在高維量子測量的不相容結構研究方面取得重要進展，在理論上揭示了高維多測量場景的不相容結構復雜性，提出了判定不相容結構的新方法，并基于光場軌道角動量自由度搭建高維量子系統，實現了對多種不相容結構的實驗觀測。該研究成果11月8日發表在國際物理頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
量子不相容揭示了量子測量中存在的非經典性，描述了多個量子測量無法同時獲得精確信息的現象，被認為是量子信息處理任務中的重要資源，在量子非局域性、量子非互易性、量子精密測量等領域有著重要應用。一對量子測量的不相容性已經在實驗中得到了驗證，然而，考慮到高維復雜的量子信息處理任務，其測量會出現部分不相容且部分可相容的復雜結構，表征和觀測其中的不相容結構對于基礎量子理論具有重要意義，并在理論構建與實驗設計仍具有挑戰。
此前，張沛教授團隊在高維量子系統信息處理領域取得了多項重要進展。利用多測量設置方法揭示了高維糾纏體系中更高的量子導引強度，實現從高噪聲環境中提取高維導引[Phys. Rev. Lett. 128, 240402 (2022)]；提出了一種高魯棒性和高準確性的EPR導引維度判定方法，為單方設備無關情況下對共享量子態的維度進行可靠而準確的認證提供了有效途徑[Optica 9, 473 (2022)]；發展了新概念“真高維單向導引”以及刻畫不對稱導引結構的新方法，為高維量子系統的不對稱場景導引判定以及度量提供了有效路徑[Phys. Rev. Lett. 132, 210202 (2024)]。基于以上成果，研究團隊對高維多測量場景的不相容測量結構進行了深入研究，通過發展新的判定不相容結構的理論判據，利用光的軌道角動量搭建高維量子制備測量場景，揭示了高維量子系統中的測量不相容結構。
張沛教授團隊在理論上提出了一種新方法來將高維量子系統中存在的復雜測量結構分解成更基礎的成對可相容測量的集合，由于違背可相容結構的測量只能展現出有限的噪聲抵抗能力，因此可以構建噪聲超平面來排除特定的可相容測量結構從而判定對應的測量不相容結構的存在。團隊通過此方法給出了對稱高維相互無偏基測量的真不相容結構的解析邊界，非對稱條件下任意高維測量的真不相容結構的數值邊界。最后，團隊基于光子軌道角動量自由度的高維系統實現了對特定量子不相容結構的捕獲。該研究工作展示了高維量子系統中多測量場景的復雜結構，在高維量子信息處理任務中具有潛在的應用前景。
西安交通大學物理學院為該論文唯一完成單位，西安交通大學23級博士生張嘯林為論文第一作者，張沛教授為論文唯一通訊作者。
近年來，張沛教授課題組開展了高維量子糾纏、高維量子通信、高維量子測量、量子精密與光場調控等基礎研究，主要包括基于光場軌道角動量自由度的高維量子糾纏態產生，并實現高維量子導引特殊結構的驗證；高維量子密鑰分發的理論方案與實驗驗證；高維量子不相容結構的理論方案與實驗驗證；新型結構光場的產生、傳輸及檢測等。在物理科學領域頂級期刊Phys. Rev. Lett.、Light-Sci. Appl.、Optica等發表一系列重要學術論文。研究工作得到國家級青年人才計劃、國家自然科學基金、陜西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持計劃、中央高校基本科研業務費等項目的支持。
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