我室杜江峰、石发展等人与上海纽约大学Tim Byrnes等合作，在量子相干资源理论的实验研究中取得进展，利用核磁共振技术对三自旋体系的量子相干分布进行了实验研究。该研究成果以“Experimental study of quantum coherence decomposition and trade-off relations in a tripartite system”为题发表在npj Quantum Information上[npj Quantum Information (2021) 7:145]。

量子相干是量子力学的根本概念，发展一个符合量子理论框架要求的相干度量理论在量子基础理论、量子信息乃至多体物理和量子生物学中有着重要意义。受量子纠缠度量资源理论的启发，理论研究者针对量子相干提出了一系列满足资源理论框架的度量理论。这些理论中有部分实现了实验观测[Phys. Rev. Lett. 115, 113002 (2015)、Phys. Rev. Lett. 118, 020403 (2017)、npj Quantum Information 6, 1 (2020)]。 不过，相关理论当前主要聚焦于一个体系的整体相干度量，至于相干在体系内部的结构则很少考虑。为揭示多体系统内部相干分布的结构，即一个多体系统内部数个子系统分别的相干以及之间的联系，Tim Byrnes等人在2016年曾提出一个基于量子Jensen-Shannon偏离的新型相干度量[Phys. Rev. Lett. 116, 150504 (2016)]。在此理论中，相干可以被划分为分布于子系统内部的局域相干和表现为子系统之间量子关联的全局相干。

 本工作中，我们对上述理论进行了改进，使其不仅能考虑全局相干和局域相干，还能够对某个自旋的局域相干以及若干个指定自旋之间的量子关联进行度量。

图注：图a是一个三体系统从直积态演化到最大纠缠态的概念示意图，圆圈代表子系统，其蓝色逐渐变淡代表局域相干降低；圆圈之间的三个椭圆代表表现为子系统间量子关联的全局相干，颜色逐渐变重代表全局相干增大。图b描绘了对三体系统进行拆分并通过拆分后得到的直积投影态、对角投影态等辅助态之间的量子Jensen-Shannon偏离定义的量子相干诸分量。

实验中通过核磁共振操控技术对氟代丙二酸二乙酯分子中的碳、氢、氟原子核组成的三自旋体系进行了两体和三体耦合强度的绝热演化。演化过程中观测到三体系统中丰富的相干转移现象，并验证了理论提出的限制不同相干分量的三角不等式。

图注：a、b图是实验中调控两体耦合强度得到的相干分量演化结果；c、d图是实验中调控三体耦合强度得到的相干分量演化结果。

这一工作首次在实验上对多体系统的量子相干分布进行了观测，并通过绝热演化展示了量子操控改变哈密顿量参数对相干分布的调控能力。这一成果对量子信息以及多体量子物理均有应用价值。

我室博士生丁哲、刘然以及理论合作组Radhakrishnan Chandrashekar博士为此工作共同第一作者，杜江峰院士、石发展和Tim Byrnes教授为此工作的共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-021-00485-0