2019年3月20日
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张利剑教授课题组在Phys. Rev. Lett.发表经典/量子系统互文性研究成果

近日,现代工程与应用科学学院张利剑教授课题组与美国俄勒冈大学Brian J. Smith教授、英国帝国理工学院Myungshik S. Kim教授等合作,在经典/量子系统互文性研究方面取得重要进展,首次从测量与事件的角度对互文性验证中的经典与量子表现进行了系统比较,相关成果“Experimental Test of Contextuality in Quantum and Classical Systems”发表于 《物理评论快报》 (Physical Review Letters 122, 080401 (2019), DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.080401)。

量子理论一直以来以其违反日常直觉的非经典表现的预测而显著区分于经典物理描述。量子力学对测量的几率解释认为可观测量并不拥有预先确定的测量结果,这一诠释催生了诸多著名的思想实验,如薛定谔的猫、EPR佯谬等,其反映出的几率特性是量子物理区别于经典物理最为重要的特性之一。互文性(Contextuality),即对物理系统可观测量的测量结果会依赖于测量的上下文环境(Context),这就好比一个问题的答案并非是确定的,而是与上下文中一起问及的其它问题有关。互文性是量子物理概率特性的一种体现,也是对量子非定域性(Nonlocality)的推广,因此量子互文性被认为是物理非经典性的标志之一,同时也被证明是量子计算、量子通信等应用的重要资源之一。然而,近期关于经典纠缠和经典互文性的研究使得量子和经典行为的边界变得模糊,对于经典物理系统是否能够演示包括互文性在内的量子、类量子效应,仍处在争议之中。特别地,互文性等特性的物理内涵及其与物理系统非经典性之间的关系,仍是一个尚未清晰的问题。

图1 互文性验证的基本框架图示。

研究团队结合理论分析与实验验证,从“事件”和“测量”的角度解答了这一问题。研究人员在实验上首次通过完全相同的测量装置实现经典和量子系统的互文性验证,从而为量子和经典行为的对比提供了统一的标准。通过线性光学系统构建的实验装置,分别对光场的单个量子化单元——单光子态,和被认为具有经典表现的相干光场——相干态,验证一种基本的非互文不等式——KCBS不等式的破坏程度。同时,研究人员引入对测量事件(measurement event, 即判断一次实验成功的条件)的不同定义,发现如何理解和定义探测环节是影响互文性验证结果的关键。对于单光子态,采用不同的事件定义均观察到明显的不等式破坏;而对于相干态,是否观测到不等式破坏、以及不等式的破坏程度,将会严重依赖于事件定义的选取。在以入射态事件为标准的完整统计下,相干光场在线性光学系统测量中并没有观测到KCBS不等式的破坏。这一结果理清了经典和量子系统在此类关联验证中的不同表现,并重新确立了互文性可以作为衡量非经典性的标准。

图2 (a) 经典相干光场(Coherent light)和侦听型量子光源产生的单光子态(HSPS)在不同测量事件定义(E1,E2,E3)下的KCBS不等式验证结果。(b) 对应后选择概率结果。

根据对实验结果的分析,研究团队进一步建立了互文性验证中的非经典行为和光场非经典性之间的联系,说明了在此类测量方式下,不等式的破坏程度与光场的P函数以及光子统计分布相关。而“事件定义”可以等效地理解为在测量端“过滤”出了光场的非经典分量,因而经典系统在通过测量事件的选择来模拟同样的量子行为时将会消耗更多资源。这一结果突出了事件和测量在定义量子与经典行为中的关键作用,为经典系统模拟量子行为的资源消耗问题给出了新的理解。

南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生张傲男为该论文第一作者,本研究得到我校物理学院张涵教授和帝国理工学院Myungshik S. Kim教授的大力支持和参与,张利剑教授和Brian J. Smith教授为论文的共同通讯作者,南京大学为论文第一单位。同时感谢罗彻斯特大学钱晓锋博士、德国Paderborn大学Jan Sperling博士、英国帝国理工学院Ian A. Walmsley教授和南京大学研究生徐娅的帮助。该研究受到国家重点研发计划(2017YFA0303703)、国家自然科学基金、南京大学卓越计划等项目资助,以及人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.080401

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)