近日，重慶研究院與中國科學技術(shù)大學合作，在美國物理學會旗下應(yīng)用物理旗艦期刊Physical Review Applied （物理類1區(qū)）上發(fā)表了“Efficient Direct Measurement of Arbitrary Quantum Systems via Weak Measurement”的理論文章，論文揭示了基于弱測量下的密度矩陣直接測量最優(yōu)方案需要滿足的兩個標準，并且首次提出了對于任意維度密度矩陣直接測量其矩陣元的最優(yōu)方案。

　　在當今時代，有效地從海量數(shù)據(jù)系統(tǒng)中提取所需信息無疑具有重要意義。信息的有效提取是信息學、物理、化學、生物學等領(lǐng)域的一個熱門課題。在量子物理學中，量子態(tài)的研究是其核心內(nèi)容之一，因為它存儲了物理系統(tǒng)的所有信息。直接測量任意量子態(tài)的密度矩陣元素的任務(wù)無論在理論上還是實驗上都是一個極其重要的挑戰(zhàn)。密度矩陣的標準測量方法是量子態(tài)重構(gòu)（quantum state tomography），它首先需要完成所有的測量，然后通過重構(gòu)算法計算出所有的矩陣元信息。因此，量子態(tài)重構(gòu)對于高維密度矩陣的測量，不僅受限于測量個數(shù)隨矩陣維度的指數(shù)增加，而且受限于重構(gòu)算法復雜性快速增加。

　　近期有研究表明利用弱測量技術(shù)可以實現(xiàn)量子態(tài)的密度矩陣元的直接測量，從而成為測量量子態(tài)信息的另一種可選擇的方案。在這項工作中，我們提出了一個最佳方案，直接測量任意密度矩陣元只需要對每個量子比特執(zhí)行一個強測量或弱測量。從而大大降低了測量復雜度，為直接測量多粒子系統(tǒng)密度矩陣元提供了一種有效的表征手段。該方法可應(yīng)用于各種量子信息實驗系統(tǒng)，比如線性光學、金剛石色心、超導系統(tǒng)、冷原子等。如上圖所示，任何密度矩陣元素都可以通過適當?shù)牟僮髦苯訙y量。這種方法在表征大規(guī)模量子系統(tǒng)中將有重要的應(yīng)用，由此方法衍生出的技術(shù)易于擴展和集成，如集成到量子芯片等。該方法不僅對量子信息科學具有重要意義，而且對信息學、化學、生物學等相關(guān)學科也具有一定的參考意義。

　　上述工作得到國家重點專項、中科院青促會會員項目、國家自然科學基金、重慶市自然科學基金等支持。

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　　URL:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014045

　　DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.014045