中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华研究组和香港中文大学刘仁保研究组合作，在开放量子多体系统时序关联的高精度测量方面取得了重要进展，利用可控物理过程合成的量子通道，提出了一种选择性地测量开放量子多体系统中任意类型时序关联的理论方案，并首次在核自旋体系中成功探测了四阶量子时序关联。相关研究成果于2024年5月16日以“selective detection of dynamics-complete set of correlations via quantum channels”为题在线发表于国际学术期刊《物理评论快报》上[phys. rev. lett.132,200802 (2024)]。
物理量之间的关联对于多体系统的理解以及量子技术的发展至关重要。为了全面描述一个物理系统的动力学，需要系统中所有的时序关联信息，即一套动力学完备的时序关联集合。对于量子多体系统而言，物理量（算符）的非对易性给量子关联带来了各种各样复杂的不等价形式。然而，当前的测量方案只能提取少数特殊形式的时序关联信息，到目前为止还没有一种系统的、可行的方案来提取动力学完备集合中所有类型的时序关联信息。2019年，香港中文大学刘仁保教授曾提出了基于连续弱测量的任意量子时序关联测量方案[phys. rev. lett.123, 050603 (2019)]。然而基于连续弱测量方法伴随着测量次数提高，高阶量子关联信号的信噪比急剧下降，其实验实现难度很大。因此，如何系统性、选择性地测量动力学完备的任意量子时序关联一直是一个具有挑战性的科学问题。
图：(a)量子多体系统的动力学演化衍生出各种形式的量子时序关联。(b)任意n阶量子时序关联选择性测量的量子线路。(c)四阶量子关联的实验测量。(d)基于高阶量子时序关联的量子优化控制的数值模拟。
为了解决上述挑战，彭新华研究组和刘仁保研究组合作，创新性地提出了基于可控物理过程合成量子通道的任意类型量子时序关联选择性测量协议，见图(a)和(b)。该协议不仅极大程度提升了高阶量子关联的测量信噪比，降低了实验实现的难度，而且适用于更广泛的实验体系，包括单自旋和系综量子体系。利用核磁共振高精度量子控制，该工作在多自旋体系上实验验证了该测量协议的可行性，首次成功测量了量子多体系统中的四阶量子时序关联，见图(c)。进一步，该工作将实验获得的高阶量子关联信息应用于高精度量子优化控制任务中。图(d)中展示的数值模拟结果表明，对于单自旋量子门（如pauli-x门），相比于以往只利用二阶量子关联信息的优化方法，当优化控制中考虑四阶量子关联修正后，可将量子门保真度从99.987%提升到99.99996%。
该工作在量子信息和量子多体物理领域具有潜在的应用价值。一方面，对量子热库中所有量子时序关联信息的完全提取提供了一种完整表征量子噪声的方法，这对量子信息技术（如量子控制和量子精密测量等）非常重要。另一方面，由于量子多体系统的动力学行为可以逐阶分解为成各种量子时序关联的叠加，对任意量子时序关联的精确测量有助于我们更好地表征和理解量子多体系统非平衡态性质。未来方向拟通过减缓退相干效应和利用量子资源（如纠缠和压缩）进一步提高测量量子时序关联的信噪比和频谱分辨率等。审稿人对该工作给予了高度评价：“it's asignificant addition to the field of quantum metrology, offeringinsights into quantum systems dynamics.”(这是量子度量领域的一项重要补充，提供了量子系统动力学的洞察方法)。
中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室吴泽博士后、北京师范大学珠海校区王评副研究员为论文的共同第一作者，彭新华教授和刘仁保教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省、新基石科学基金会等资助。
论文链接：
（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）