直接测量技术为量子层析成像提供了另一种选择

在一项新研究中，研究人员演示了与轨道角动量相关的量子状态的“直接测量”，表明直接测量是量子层析成像的一种令人兴奋的替代方法。

直到最近，使用称为量子层析成像的技术来测量27维量子态一直是一个耗时的多阶段过程，类似于从许多2D图像中创建3D图像。罗彻斯特大学的研究人员已经能够应用最近开发的另一种方法，称为直接测量，可以在单个实验中完成此过程，而无需进行后处理。这项工作之所以令人感兴趣，是因为快速，准确，高效的表征此类高维状态的方法对于开发高安全性量子通信系统以及探究我们对量子力学的基本理解至关重要。

这项研究本周由罗切斯特大学和格拉斯哥大学的一组研究人员在《自然通讯》上发表。在论文中，他们证明了与轨道角动量有关的量子态的直接测量。

“我们的工作表明，直接测量是量子层析成像的一种令人兴奋的替代方法，”罗切斯特大学光学和物理教授，渥太华大学量子非线性光学加拿大卓越研究主席罗伯特·博伊德说。“随着量子信息领域的不断发展，我们希望直接测量在其中扮演越来越重要的角色。”博伊德补充说，虽然目前尚不清楚与量子层析成像相比，直接测量的效率要高多少，但是缺乏后处理是加快直接测量速度的主要因素。

直接测量技术提供了一种直接确定量子系统状态的方法。它是由加拿大国家研究委员会（National Research Council Canada）的科学家于2011年首次开发的，他们用它来确定光子的位置和动量。去年，由博伊德（Boyd）领导的一组罗切斯特/渥太华研究人员表明，直接测量可用于测量光的偏振态。新论文是该方法首次应用于离散的高维系统。

这种对波函数的直接测量可能已被不确定性原理所排除，不确定性原理是只有在其他特性知之甚少的情况下，才能精确知道量子系统的某些特性。但是，直接测量涉及使之成为可能的“技巧”。

直接测量包括两种类型的测量，一个接一个地执行，第一个是“弱”测量，然后是“强”测量。在量子力学中，测量量子态的行为会不可逆地干扰它，这种现象称为波函数崩溃。诀窍在于，第一次测量是如此温和，以至于仅轻微干扰系统且不会导致波函数崩溃。

第一作者，现为维也纳大学博士后研究员，现为维也纳大学博士学位的主要作者Mehul Malik博士说：“这就像偷窥盒子一样，看看薛定ding的猫是否还活着，” .D。这项工作完成后，是Boyd小组的一名学生。“微弱的测量本质上是糟糕的测量，这使您几乎不确定猫是活着还是死了。但是，它¬的确提供了有关猫的健康状况的部分信息，如果重复多次，这可能会导致有关猫是活着还是死了的某些信息。”马利克补充说，与大多数标准的量子系统测量不同，弱测量的优点在于它不会破坏系统，因此可以进行后续测量，即其他变量的“强”测量。

然后，对多个相同准备的量子系统重复此弱和强测量序列，直到以所需的精度知道波函数为止。

博士学生Mohammad Mirhosseini也是Rochester团队的成员。其他合作者包括英国格拉斯哥大学的Miles Padgett教授和Martin Lavery教授，以及英国爱丁堡赫瑞瓦特大学的Jonathan Leach博士。

出版物：Mehul Malik等人，“ 27维轨道角动量状态向量的直接测量”，《自然通讯》第5期，文章编号：3115； doi：10.1038 / ncomms4115

研究报告的PDF副本：直接测量量子态旋转

图像：来自Shutterstock的Atom