近日，现代工程与应用科学学院张利剑教授课题组与德国乌尔姆大学 (Universität Ulm)Martin B. Plenio教授课题组、加拿大滑铁卢大学刘子文博士和澳大利亚悉尼 科技 大学俞能昆教授合作的成果"Experimental Quantification of Coherence of a Tunable Quantum Detector"发表于 《物理评论快报》 （Physical Review Letters 125, 060404 (2020), DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.060404）。该工作从量子资源理论的角度出发，对量子探测器利用量子资源的能力进行了研究，首次在实验中量化了一类量子探测器--可调弱场零差探测器—在不同配置下对相干性这一量子资源的利用能力。
图1. 量化探测器相干性的实验原理图
量子探测器的结构和应用场景比经典探测器更为复杂，因而用来量化经典探测器性能的参数，如探测效率、噪声强度等，无法全面描述量子探测器的性能，而应该从量子资源的角度出发，提出量化量子探测器性能的新方法。量子相干性是量子技术超越传统设备性能的基本资源，而实现此优势的先决条件是测量设备可以有效提取量子态和量子操作中的相干性。基于最近发表的量子操作相干性的资源理论，研究团队将其推广并用来定量研究量子探测器提取相干性的能力，并针对一类重要的量子探测器—可调弱场零差探测器—探测量子相干性的能力进行研究，利用量子探测器层析（quantum detector tomography）实验重构该探测器的测量算符，进而计算探测器的相干性。通过对可调弱场零差探测器在不同配置下相干性的实验标定，研究团队得到导致该量子探测器探测相干性能力变化的因素，对将来进一步使用这类探测器提供了有力的理论指导。同时该工作首次以资源理论的角度对量子测量进行了实验研究，为准确评估量子测量设备的性能提供了新的思路。
图2. 不同本地振荡器和干涉对比度下可调弱场零差探测器的相干值变化趋势。
量子相干性在量子计算、量子通信、量子计量学和量子生物学等量子技术中发挥着不可或缺的作用。因此量子相干性作为一种资源的定量评估引起了广泛兴趣，并有大量工作针对相干性的产生和调控展开研究。但是要将量子相干性应用到更加广阔的领域，仅仅产生和调控相干性是不足够的，我们还必须能够探测相干性，而本工作正是填补了这一空白，从而完善了量子相干性的研究框架，将量子相干性的应用进一步推广。
南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生徐慧超，许飞翔和乌尔姆大学博士研究生Thomas Theurer为该论文共同第一作者，本研究得到德累斯顿工业大学的Dario Egloff的大力支持和参与，张利剑教授和Martin B. Plenio教授为论文的共同通讯作者，南京大学为论文第一单位。该研究受到国家重点研发计划(2018YFA0306202，2017YFA0303703)、国家自然科学基金等项目资助，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.125.060404