澎湃新聞記者 王蕙蓉

近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子物理基礎研究中取得重要進展。

全同粒子系統的量子相干性及其在相位通道鑑別任務中的應用實驗原理示意圖，圖片來自中科大

前述團隊李傳鋒、許金時、孫凱等人與意大利巴勒莫大學Rosario Lo Franco教授等國際合作者通過調控光子的空間不可分辨性，實現了量子相干性的生成，並展示了其在量子計量任務中的實際應用。相關成果發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）。論文共同第一作者爲中科院量子信息重點實驗室特任副研究員孫凱和博士研究生劉正昊。

圖片來自PNAS

量子相干性是量子力學中最基礎的本質特性，它使得量子系統中會出現“薛定諤貓”等在經典視角下難以理解的現象。1935年，理論物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）設想了“薛定諤貓”思想實驗，以闡述量子力學中的悖論。

如果把一隻貓關在裝有放射源及有毒氣體的封閉房間裏，放射源在單位時間內有一定幾率會發生衰變。當檢測到放射源衰變時，有毒氣體釋放，貓就會死。如果放射源沒有發生衰變，貓就存活。根據薛定諤的想法，原子可能同時以兩種不同狀態存在，即量子疊加，如果在原子和宏觀物體間產生相互作用，將它們“糾纏”起來，這時宏觀物體可能處於一種奇怪的疊加態。

對於單粒子量子系統，量子相干性體現在系統處於計算基矢（基本量子態簡稱基本態或基矢）的疊加狀態；而對於多粒子量子系統，如果這些粒子是全同粒子，則即使沒有任何一個粒子處於相干疊加狀態，整個量子系統也可以存在相干性。這種相干性是由於全同粒子之間波函數的空間不可分辨性所導致的。

然而，針對基於粒子不可分辨性的量子相干資源，其實驗研究面臨兩個問題：一是需要調控全同粒子之間的不可分辨性來生成具有不同相干度的量子資源，二是需要展示這種相干性在具體量子信息任務中的實際應用，從而證明它是物理上可用的量子資源，而不僅僅是描述全同粒子的特定數學形式的結果。

近年來，中科大李傳鋒、許金時、孫凱等人在光學系統中持續開展關於全同粒子不可分辨性的實驗研究，在前期已經實現了基於不可分辨性的量子糾纏製備及量子隱形傳態。

相干性與不可分辨性定量關係的實驗結果，插圖爲相干性最大的態的密度矩陣，圖片來自中科大

此次，研究組在一個偏振–路徑混合編碼的雙光子系統中，發展了全同粒子波函數空間分佈的按需調控技術，從而實現了一個可控的光子相干性合成器，生成的相干性最大的態的保真度達到98.8%。研究組進一步設計了一個相位鑑別任務，用來演示所生成的量子相干資源在量子計量學中的實際應用。實驗結果表明，基於全同粒子不可分辨性的量子相干性可以提高相位鑑別的成功幾率，並且能與基於單個粒子相干疊加的相干性同時存在，因此將在具體的量子信息任務中獲得應用。

前述工作展現了全同粒子的不可分辨性可以作爲一種量子資源進行物理應用，並提供了實驗調控不可分辨性的方法，從而爲其在量子信息任務中的進一步應用打下了基礎。審稿人對此評價“證明相干性與不可分辨性之間存在定量的聯繫，並將其應用於量子計量學任務中是一個重要的成果”。