[论文解读] Experimental Activation of Strong Local Passive States with Quantum Information

Nayeli A. Rodríguez-Briones, Hemant Katiyar+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 4

一句话总结

本文首次实现了量子能量隧穿（QET）的实验验证，通过核磁共振（NMR）技术，在强局域惰性（SLP）纠缠基态中实现了零点能的局域激活。通过应用局域操作与经典通信（LOCC），该协议从原本无法实现局域能量输出的系统中提取了能量，证实了多体系统中通过量子关联实现能量激活的理论预测。

ABSTRACT

Strong local passivity is a property of multipartite quantum systems from which it is impossible to extract energy locally. Surprisingly, if the strong local passive state displays entanglement, it could be possible to locally activate energy density by adding classical communication between different partitions of the system, through so-called "quantum energy teleportation" protocols. Here, we report both the first experimental observation of local activation of energy density on an entangled state and the first realization of a quantum energy teleportation protocol using nuclear magnetic resonance on a bipartite quantum system.

研究动机与目标

• 实验验证强局域惰性（SLP）量子态中局域不可用能量的激活。
• 在受控量子系统中实现量子能量隧穿（QET）协议。
• 验证纠缠可实现局域能量提取而无需全局能量转移。
• 展示利用核磁共振（NMR）技术实现酉QET协议的可行性。
• 为纠缠基态中零点能密度的激活提供实验证据。

提出的方法

• 实验采用三量子比特NMR系统，通过空间平均制备伪纯态，第四个量子比特保持在最大混合态。
• 哈密顿量被分解为泽曼项（HZ）与自旋-自旋耦合项（HJ），Jjk值被设定以模拟相互作用系统。
• 通过将复杂酉操作分解为单量子比特旋转及自然哈密顿量下的演化，实现了完全酉的QET协议。
• 单量子比特操作使用GRAPE脉冲进行优化，多量子比特相互作用则通过时间延迟演化实现。
• 通过Ry(π/2)旋转测量期望值⟨ZB⟩与⟨XAXB⟩，将不可观测项映射为可测量项。
• 状态层析证实伪纯态的保真度达到0.9996，确保QET协议的高保真执行。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过量子信息协议从强局域惰性（SLP）态中实现局域能量激活？
• RQ2 量子能量隧穿（QET）是否可在受控量子系统中实现？
• RQ3 纠缠是否可在无全局能量转移的前提下实现局域能量提取？
• RQ4 QET协议是否能成功从纠缠基态中提取零点能密度？
• RQ5 能否在NMR系统中实现并验证完全酉的QET协议？

主要发现

• 实验成功实现了从强局域惰性态中提取局域能量，证实了通过LOCC实现能量激活的理论预测。
• 首次在三量子比特NMR系统中实现了量子能量隧穿（QET）协议的实验实现。
• 能量提取超越了局域与环境噪声水平，且系统中无可观测能量传输，验证了该协议的非局域特性。
• 制备的伪纯态保真度测量为0.9996，确保了QET协议的高保真实现。
• 协议通过测量结果指导局域酉操作，实现了能量激活，展示了量子关联在释放原本不可及能量中的作用。
• 实验结果证实，在受控条件下，纠缠基态中的零点能密度可被激活，标志着量子热力学领域的重要里程碑。