來源 | 物理研究所
量子態具有相干疊加的性質，對其進行深入研究可以加深人們對量子力學基本問題的認識，同時量子信息技術的快速發展又賦予了量子相干更多的物理意義。量子光學中經常提到的相干態就是基於相干疊加原理所構成的量子態。儘管如此，關於量子相干大小的度量問題，研究者只是基於較為直觀的理解，即量子態密度矩陣非對角元的大小就對應於相干度的大小。1962年楊振寧提出超導量子相中存在非對角長程序，即是指長程的量子相干性。但是，在量子信息和量子物理研究中，過去人們只是較為關注量子糾纏、量子關聯等沒有經典對應的非局域性質及其大小，而認為量子相干可以由經典波(比如水波)的性質來進行類比，因此量子相干大小的度量問題並沒有引起普遍的關注。
2014年，德國科學家提出了基於量子計算資源理論框架的量子相干度量方案(Phys. Rev. Lett. 113, 140401)，列舉出了作為量子相干度量應滿足的一些基本要求，並證明了人們普遍接受的量子態密度矩陣非對角元的大小即滿足量子相干度量的所有條件，同時他們發現量子態密度矩陣與僅包含密度矩陣對角元矩陣的相對熵也可以用來衡量量子態的相干度大小。相比於不同形式的量子關聯，量子相干可以描述量子態更具一般意義的性質，並提供更為豐富和複雜的物理涵義，因此極大地激發了人們的研究熱情。
基於量子計算資源理論框架的量子相干研究已成為近年來量子信息領域的一大熱點，進展非常迅速，相關理論和實驗論文也大量湧現。人們的關注點主要集中在各種量子相干度量及其物理詮釋，量子相干資源與量子糾纏、量子關聯資源等的轉換機制，量子相干與波粒二象性及量子相干資源之間的各種互補關係，量子相干的精餾（提純）與稀釋，量子相干的保持與增強方案等。特別是研究還發現量子態的相干大小度量在量子搜索算法、量子計算、量子計量學等實際問題的處理中發揮著不可替代的作用，同時它還在量子多體理論、量子熱力學、量子生物學等問題的研究中具有潛在的應用。
近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態量子信息與計算實驗室Q03組研究員範桁團隊對量子相干度量、調控和應用問題進行了深入研究，在Physical Review 系列期刊等發表論文近二十篇，引起了國內外廣泛的關注。最近，範桁又與博士後胡明亮、博士生彭益以及山東大學胡雪元(曾為物理所博士後)、湖南師範大學王接詞（曾為物理所博士後）、北京計算科學中心博士後張煜然（物理所博士畢業）等在物理學綜述期刊Physics Reports 發表了量子相干研究的長篇綜述。在該綜述中，他們系統總結了基於資源理論框架的量子相干研究的最新進展和主要結果，展示了量子相干度量的多種形式及其物理實質，剖析了量子相干與量子關聯的相互轉換機制、量子相干的精餾和稀釋、量子相干的調控等問題，梳理了量子相干在量子計算和量子信息處理、量子計量學、量子多體系統研究方面的最新進展，討論了相對論框架下量子相干研究方面的主要結果，並對該領域將來的發展方向和存在的問題進行了深入分析和展望，這些工作將對該領域的進一步深入發展起到重要的引領和指導作用，綜述文章近期已在線發表。
以上工作得到國家自然科學基金委(11675129, 91536108, 11675052, 11774406, 11504205, 11774205)、科技部(2016YFA0302104, 2016YFA0300600)和中科院(XDB28000000)等的支持。
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157318301893?via%3Dihub
圖1：量子力學中，人們分別用薛定諤表象和海森堡表象來研究系統時間演化性質，薛定諤表象中，量子態隨時間變化，海森堡表象中，算子隨時間變化。
圖2：量子相干度量可以有各種形式，這裡羅列了基於範數、相對熵、斜信息、糾纏等的不同量子相干度量方法。
圖3：量子相干度量是基於單系統量子態，但是此單系統量子態也可以由多個量子系統構成或者添加輔助量子系統，從而形成多體的量子態。多體量子態中的量子糾纏、量子失諧等可以和量子相干進行相互轉換。
圖4：根據系統認定的資源形式，量子相干在特定量子操作下可以增加或者減少，這裡羅列了基於不同量子測量方案的量子相干精餾與量子相干稀釋。
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