清华大学马雄峰研究组提出实用化的多体纠缠探测协议

近日，清华大学交叉信息研究院马雄峰研究组在多体纠缠探测领域取得重要进展，提出了实用且高效的多体系统纠缠探测协议。该成果论文「利用置换矩探测多体系统中的纠缠」（Detecting Entanglement in Quantum Many-body Systems via Permutation Moments）近日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表。该论文通讯作者为清华大学交叉信息研究院马雄峰副教授，清华大学交叉信息研究院2020级博士生刘振寰为文章的第一作者。其他作者还包括交叉信息研究院2017级本科生唐一凡、博士后代昊、2019级本科生刘鹏宇和陈澍。

量子纠缠是理论物理研究以及量子信息科学中的基础概念，发展高效的纠缠探测协议对于标定大型量子设备的可靠性有着重要意义。传统的纠缠探测手段往往有着各种限制。例如纠缠见证（Entanglement Witness）虽然是最常用的实验方案，但是它的有效性很大程度依赖于对被探测量子态的先验知识。正映射判据（Positive Map Criterion）是另一种理论上具有强大探测能力的纠缠判据，然而这一判据的实现往往需要极高实验复杂度的量子态层析。

近期，研究者们提出了一种基于矩测量的实验方案可以避免量子态层析而实现一种弱化版本的正映射判据。这一实验方案只要求对单份量子态进行操作以及测量，并且具有较低的实验复杂度和较强的探测能力。然而，受限于正映射判据自身的性质，这一方案只能探测两体量子系统的纠缠。

多体纠缠探测协议示意图

为了解决这一问题，在研究中，马雄峰研究组的2020级博士生刘振寰等人引入了一种新的多体纠缠判据——指标轮换纠缠判据，并且成功将其转化为基于矩测量的实验框架。这一实验方案具有更低的实验复杂度，并且可以探测多体系统中更加复杂的纠缠结构。在两体系统中，这一框架给出了新的两体纠缠判据，极大增强了两体纠缠的探测能力。此外，一些数值实验表明，这一框架中的一些关键物理量还可以作为纠缠的度量，在量子多体物理的研究中起到重要的作用。

Ising模型中纠缠探测能力的数值展示

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等的支持。

论文链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.260501

[2]https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/100881.htm

--清华大学