北理工在高維非局域量子操控(Steering)效應(yīng)研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2018-01-19 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組（博士研究生曾強(qiáng)、王波、李鵬云和導(dǎo)師張向東教授）在實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到了高維非局域量子操控(steering)效應(yīng)，這是對(duì)現(xiàn)有量子非局域效應(yīng)研究的一次重要補(bǔ)充。不僅如此，課題組成員創(chuàng)新地利用空間光調(diào)制器上加載動(dòng)圖方式，在高維量子系統(tǒng)中定量引入了可控各向同性噪聲，實(shí)驗(yàn)上精確驗(yàn)證了高維操控(steering)效應(yīng)噪聲抑制現(xiàn)象的理論預(yù)言。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 120, 030401(2018)]上，該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助和支持。
1935年，愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了著名的EPR佯謬，他們以量子力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出與經(jīng)典理論中的物理實(shí)在論相矛盾的結(jié)論， 并把這一量子特性稱之為“幽靈般的超距作用”，進(jìn)而對(duì)量子力學(xué)提出了質(zhì)疑。薛定諤在研究這一佯謬時(shí)提出了 “操控（steering）”的概念，后來(lái)被稱為EPR操控(EPR steering)。EPR操控描述了對(duì)一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量能非局域地影響另一個(gè)粒子狀態(tài)的能力，它是一類量子非局域特性。我們通常說(shuō)的量子非局域特性是指某個(gè)糾纏態(tài)能違背貝爾不等式，叫做貝爾非局域性。而EPR steering這種非局域特性指的是量子糾纏態(tài)中只有一部分具有EPR操控特性，而這些具有EPR操控特性的態(tài)中只有一部分具有貝爾非局域性。目前對(duì)steering效應(yīng)的研究大多集中在二維情況，而眾多的理論研究表明，高維系統(tǒng)中的量子steering效應(yīng)具有許多新奇而重要的特性，例如噪聲抑制，亦即隨著維度的提升，steering效應(yīng)抵制噪聲的能力會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。然而，因?yàn)槟壳皩?duì)高維系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)的不成熟，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)這些特性還存在著極大的困難。
圖1 高維軌道角動(dòng)量光糾纏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，及高維steering效應(yīng)的觀測(cè)測(cè)量
圖2 高維steering效應(yīng)的測(cè)量結(jié)果
圖3 動(dòng)圖引入可控的高維各向同性噪音
圖4 噪聲抑制現(xiàn)象的測(cè)量結(jié)果
光的軌道角動(dòng)量自由度由于其天然的高維屬性，自發(fā)現(xiàn)起就被廣泛應(yīng)用于各類高維系統(tǒng)的構(gòu)建中。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)光的參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生了軌道角動(dòng)量光的最大糾纏態(tài) 
（圖1），進(jìn)而通過(guò)一系列測(cè)量觀測(cè)到了高維量子steering效應(yīng)。圖2展示的是測(cè)量結(jié)果。用加載動(dòng)圖的方式，定量的引入了一個(gè)可控的各向同性噪聲（圖3），并驗(yàn)證了高維steering效應(yīng)中的噪聲抑制現(xiàn)象（圖4）。
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