中国科大观测到开放量子系统多步演化的记忆效应

2021年06月16日

中国科大观测到开放量子系统多步演化的记忆效应

我校郭光灿院士团队在开放量子系统的实验研究中取得重要进展，该团队李传锋、柳必恒等人与奥地利科学院理论物理学家合作，实验观测到开放量子系统多步演化的非马尔科夫性，证明了量子记忆效应的操作依赖性。该研究成果6月9日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

记忆效应在自然界中普遍存在，例如疾病传播、生化过程、光纤通信等。记忆效应的长度、强度和结构等是表征物理演化的重要参数。在量子信息科学中，理解和控制记忆效应对于发展量子技术至关重要。由于系统和环境的耦合，开放量子系统的演化会展现非马尔科夫性，为研究量子记忆效应提供了平台。然而，由于量子测量会引起系统量子态的坍缩，实验者对系统的探测会影响系统的后续演化，这使得以前人们对量子记忆效应的研究局限在单步演化过程，即初态制备后进行演化最后进行量子测量，而在演化过程中不进行测量。

近年来，李传锋研究组利用单步演化在开放量子系统的研究中取得了列成果，包括观测到马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变[Nature Physics 7, 931 (2011)]、利用演化的特征谱观测非马尔科夫性[PRL 120 060406 (2018)]、构造可控相位退相干演化模拟器[Nature Communications 9, 3453 (2018)]等。在本工作中，李传锋、柳必恒等人利用过程张量的方法，将可控探测和系统演化分开，从而可以研究多步演化。研究组利用一对纠缠光子的偏振和路径自由度，构造了两类多步演化的开放系统动力学过程，通过度量这两类演化过程在不同测量方式下的非马尔科夫性，证实了量子记忆强度的操作依赖性。

该成果开启了多步演化过程的量子非马尔科夫性的实验研究，充分展示了多步演化过程的高阶量子记忆效应特征。

图1：研究开放量子系统多步演化量子记忆效应的实验光路图

图2：实验结果。（a）和（b）分别展示两类多步演化过程的非马尔科夫性（N）及不同测量方法下的量子记忆强度

文章共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士后郭钰和奥地利科学院的Philip Taranto，共同通讯作者为中科院量子信息重点实验室柳必恒研究员、李传锋教授和奥地利科学院的Philip Taranto。本研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持，柳必恒研究员为中国科学技术大学仲英青年学者。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.230401

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

实验观测到开放量子系统多步演化的非马尔科夫性，证明了量子记忆效应的操作依赖性