量子演化及其逆演化的叠加实验装置。图片来源：李传峰教授团队

一个研究小组在光子系统中构建了具有两个相反方向的量子演化的相干叠加，并证实了其在表征输入输出无限性方面的优势。该研究发表在《物理评论快报》上。

时间从过去无情地流向未来，这种观念深深植根于人们的脑海中。然而，支配微观世界中物体运动的物理定律并没有刻意区分时间的方向。

更具体地说，经典力学和量子力学的基本运动方程都是可逆的，并且改变动态过程的时间坐标系的方向（可能与其他一些参数的方向一起）仍然构成有效的演化过程。

这被称为时间反转对称性。在量子信息科学中，时间反演因其在多时间量子态中的应用、闭合类时曲线的模拟和未知量子演化的反演而引起了人们的极大兴趣。然而，时间反转很难通过实验实现。

为了解决这个问题，由中国科学院中国科学技术大学郭光灿院士、李传峰教授和刘必恒教授领导的团队，与香港大学的Giulio Chiribella教授合作，通过将时间反转扩展到量子器件的输入输出反转，在光子设置中构建了一类量子演化过程。

当交换量子器件的输入和输出端口时，所得演化满足初始演化的时间反演特性，从而获得量子演化的时间反演模拟器。

在此基础上，团队进一步量化了演化时间方向，实现了量子演化及其逆演化的相干叠加。他们还使用量子见证技术表征了这些结构。

与确定演化时间方向的情景相比，时间方向的量化在量子通道识别方面表现出显著优势。

在这项研究中，研究人员使用该设备以99.6%的成功概率区分了两组量子通道，而在相同的资源消耗下，确定的时间方向策略的最大成功概率仅为89%。

该研究揭示了输入输出无限性作为量子信息和光子量子技术进步的宝贵资源的潜力。

更多信息：Yu Guo et al， Experimental Demonstration of Input-Output Indefiniteness in a Single Quantum Device， Physical Review Letters （2024）.DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.160201

期刊信息： Physical Review Letters