摘要：近期，清华大学Kihwan Kim以及帝国理工学院M. S. Kim携手开发了一种称为量子动态快照的方法，通过对测量结果的经典后处理，成功取消测量对系统的影响，从而实现了多时间QPD和量子相关函数的重构。这一研究不仅丰富了量子测量的理论框架，也为量子计算和量子

近期，清华大学Kihwan Kim以及帝国理工学院M. S. Kim携手开发了一种称为量子动态快照的方法，通过对测量结果的经典后处理，成功取消测量对系统的影响，从而实现了多时间QPD和量子相关函数的重构。这一研究不仅丰富了量子测量的理论框架，也为量子计算和量子信息科学的发展奠定了基础。该成果发表于Nature Communications上。

研究背景

量子测量是量子力学中的核心概念，因其独特的非经典特性而成为研究热点。然而，测量引起的状态干扰使得获取多个时间点的量子统计数据变得极具挑战性，传统的测量方法往往会破坏量子相干性，从而影响后续动态的分析。

研究内容

为了解决这一问题，清华大学Kihwan Kim以及帝国理工学院M. S. Kim携手提出了多种创新方法，包括弱测量和辅助测量等。特别是，部分科学家探索了准概率分布（QPD）的应用，如维格纳函数和Kirkwood-Dirac分布，以描述量子系统的动态特性并提取时间相关的量子信息。该研究开发了一种称为量子动态快照的方法，通过对测量结果的经典后处理，成功取消测量对系统的影响，从而实现了多时间QPD和量子相关函数的重构。该方法在实验中得到了验证，显示出可以可靠地恢复量子相干性及其在多个时间点的动态信息，为探索量子动态的复杂性提供了新的技术路径。这一研究不仅丰富了量子测量的理论框架，也为量子计算和量子信息科学的发展奠定了基础。

本文通过对171Yb+-138Ba+捕获离子系统的实验，采用辅助测量和经典后处理方法，成功实现了量子动力学的快照。这一创新性实验揭示了在多时间点提取量子统计的可能性，为量子系统中时间相关性的研究提供了新的视角。通过对多时间QPD（准概率分布）和量子相关函数的重构，本文深入分析了量子系统在动态演化过程中的非经典特征，尤其是在信息扩散和量子纠缠方面的表现。

针对量子测量中的干扰现象，本文提出了一种新颖的快照量子动力学方法，通过经典后处理技术消除了测量对系统的影响，保证了量子相干性得以保留。这一微观机制的表征使得作者能够同时获取不同时间序列下的量子相关函数，进一步挖掘了量子动态中非经典现象的潜在应用。这一发现不仅为量子统计的研究提供了新的工具，还为理解多体量子系统中的信息传播提供了理论基础。

在此基础上，本文利用Kirkwood-Dirac分布等多种表征手段，重构了多时间QPD和各种类型的量子相关函数，结果表明，非经典性的出现对于量子计算和量子测量的效率有着重要影响。尤其是在许多体物理的研究中，通过对局部可观察量的分析，得出了与系统规模无关的样本要求，从而推动了量子许多体系统中关键量（如OTOC）的获取。

图1 | 快照量子动力学的示意性流程。

图2 | 用于辅助辅助测量的量子电路。

图3 | 通过辅助测量对三次QPD和边缘分布进行实验重建。

图4 | 由三次QPD得到的两次QPD。

图5 | 二次和三次相关函数的结果。

图6 | 时间t3时z基测量的分布之间的保真度。

科学启迪

本文提出了一种名为「快照」的协议，以从辅助测量中提取多个时间点的量子统计，并在171Yb+-138Ba+捕获离子系统中进行了实验验证。作者方法的关键特点是通过对辅助测量结果的经典后处理，完全消除测量效应，并且在每个即时时间点仅需进行短时间的系统-辅助相互作用。通过快照量子动态，作者可以从一组观察轨迹中同时获得多个时间点的QPD和各种类型的量子相关函数。作者强调，这种方法适用于任何量子系统和动态，为探索开放和闭合量子系统的量子统计提供了有价值的实验工具。

所提协议的潜在应用包括研究许多体物理中的量子动态。原则上，在考虑局部可观察量时，重构QPD和相关函数所需的样本数量与系统的规模或量子位数无关。这一特性对于在量子许多体系统中基于相关函数获取各种关键量（如OTOC）具有很大的前景。Kirkwood-Dirac分布最近被认为是研究信息混淆和量子热力学的重要工具，其从实验数据的直接重构将有助于实验验证量子动态中出现的非经典现象。

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来源：Future远见