近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室/微纳量子研究院朱黄俊课题组与中科大郭光灿，李传锋，和项国勇研究团队以及北京理工大学尚江伟课题组合作首次运用纠缠测量实现了高效量子定向协议，成果以《Experimental Optimal Orienteering via Parallel and Antiparallel Spins》发表于物理评论快报[Phys. Rev. Lett. 124, 060502 (2020); 10.1103/PhysRevLett.124.060502]。
量子定向是指Alice通过发送特定量子状态的基本粒子来传递空间方位信息，接收到该粒子的Bob可以通过适当测量来解码该方位信息。比如Alice可以发送带自旋的粒子，并用自旋指向代表所要传递的方向。假设资源有限Alice只能发送两个带自旋粒子，最自然的选择是发送两个具有平行自旋的粒子；Bob收到两个粒子后对它们分别做测量并根据测量结果估计Alice所要发送的方向。令人惊奇的是这种看似显而易见的选择并不是最佳的。根据量子力学预言，虽然两个自旋之间没有任何量子纠缠甚至经典关联，Bob却能够通过纠缠测量提升定向协议的性能，特别是方向估计的保真度。此外如果Alice制备并发送两个反平行自旋粒子，那么该定向协议的性能可以进一步提升，其根源还是纠缠测量。这些惊人结论是Gisin和Popescu在20多年前发现的。不过要在实验上实现基于纠缠测量的量子定向协议却并非易事，20年来都没有课题组能够实现；其中主要难点是实现纠缠测量。
在本研究中，朱黄俊研究员提出了用量子行走方法实现纠缠测量从而实现高效量子定向协议的想法。通过与中科大郭光灿，李传锋，和项国勇团队以及北京理工大学的尚江伟副研究员的协作努力，该想法得以在中科院量子信息重点实验室成功实现。在实验中，项国勇课题组的唐俊峰和侯志博巧妙运用单光子的偏振和路径实现两个自旋比特，并用光子量子行走实现了量子定向协议中所需的最佳纠缠测量。实验结果表明相比局部测量，纠缠测量可以提取更多方位信息，从而显著提高量子定向的保真度；此外利用反平行自旋编码方位信息可以使保真度进一步提高3.9%；实验结果与理论预言很好符合。相比纠缠量子态，至今对纠缠测量的研究还很有限。该项工作填补了这一空白，对于纠缠理论，精密测量，高效量子层析，和量子力学基本问题的研究都有重要意义。相关结果发表在物理评论快报[Phys. Rev. Lett. 124, 060502 (2020)]; 唐俊峰和侯志博为该论文的共同第一作者; 北理工尚江伟，复旦朱黄俊，和中科大项国勇为共同通讯作者。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的支持。
图1：量子定向及实验装置示意图。
图2：量子定向保真度的实验结果。（a）量子纠缠测量，（b）局部测量。
