A two-level quantum probe under pulsed control allows to reconstruct quantum state of dark systems which are inaccessible for direct control and measurements.
We propose a novel strategy to reconstruct the quantum state of dark systems, i.e., degrees of freedom that are not directly accessible for measurement or control. Our scheme relies on the quantum control of a two-level probe that exerts a state-dependent potential on the dark system. Using a sequence of control pulses applied to the probe makes it possible to tailor the information one can obtain and, for example, allows us to reconstruct the density operator of a dark spin as well as the Wigner characteristic function of a harmonic oscillator. Because of the symmetry of the applied pulse sequence, this scheme is robust against slow noise on the probe. The proof-of-principle experiments are readily feasible in solid-state spins and trapped ions.
对量子物理体系的量子态进行准确而有效的测量是探究量子力学基本问题以及实现量子信息技术的关键要求之一。对微观物理体系的量子态进行测量的基本原理是，通过物理手段，如激光、微波等，与待测量的物理体系相互作用，并测量响应信号（如荧光、电信号）从而获取其量子态的相关信息，进而重构系统的量子态。然而，在实际情况中，人们发现存在许多重要的“暗”量子物理体系。这些“暗”量子物理体系：一方面与外界环境的耦合比较弱，因此它们在实现量子科学技术(如原子核自旋可以作为量子相干时间很长的量子比特或者量子存储器)或者探究量子物理基本问题 (如光悬浮纳米颗粒有望用于探究量子退相干的基本物理机制以及经典与量子理论边界问题)中有望扮演重要的角色。另一方面，这些“暗”量子物理体系与外界控制场的耦合也同样比较弱，从而导致在实验上无法或者比较困难直接对其量子态直接进行操控和测量。正因如此，如何测量“暗”量子物理体系成为量子科学技术与量子物理领域发展所面临的重要挑战之一。
华中科技大学量子测量与量子信息实验室蔡建明研究团队将量子传感的原理和应用从测量经典的物理量拓展到量子物理体系的测量，通过对一个单量子探针进行简单的周期性脉冲调制，提出了对“暗”量子物理体系的量子态进行测量的有效策略。该策略首先将一个二能级单量子探针初始化到量子叠加态，然后将量子探针与待测“暗”量子物理体系耦合起来（弱耦合）。通过对量子探针施加一个周期性脉冲控制场来调控量子探针的演化，量子探针和“暗”量子物理体系演化成为一个量子纠缠态，从而使得“暗”量子物理体系的状态信息被编码在这个量子纠缠态之中。由于量子纠缠的奇特性质，只需要对量子探针进行测量，我们就可以获取“暗”量子物理体系的状态信息。
该测量“暗”量子物理体系的原理具有广泛的适用性，可应用于离散和连续的量子物理体系，并且不依赖对“暗”量子物理体系进行操控的能力，同时建立在实验技术比较成熟的单量子探针的调控基础上，具有简单、可行、抗环境噪声等优点，有望为“暗”量子物理体系的测量提供有力的实验手段，推动基于“暗”量子物理体系的量子信息科学技术与量子力学基本问题的研究，进一步拓展量子传感与量子测量研究领域。
该研究成果3月21日发表在国际权威期刊《物理评论快报》上，主要贡献者包括博士生刘宇、田佳曌，博士后Ralf Betzholz，并得到国家自然科学基金和博士后基金的支持。
Link: Pulsed Quantum-State Reconstruction of Dark Systems, Yu Liu, Jiazhao Tian, Ralf Betzholz, and Jianming Cai, Phys. Rev. Lett. 122, 110406 (2019)
