二、项目名称：
基于量子信息技术的量子物理基本问题实验研究
（一）申报奖种：自然科学奖
（二）推荐单位意见
该项目利用非线性晶体产生各种量子纠缠态，并利用线性光学元件进行纠缠态的各种操控和探测，进而利用所发展的量子纠缠技术进行量子物理中基本问题的实验研究，实验发现光的波粒叠加状态，挑战互补原理设定的传统界限，验证了纠缠辅助熵的不确定关系，并证实在待测粒子的“量子信息”事先被存储的情况下海森堡不确定关系能够被违背；实验实现开放量子系统环境调控，并首次观察到马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变现象；首次实验发现量子关联可以不被环境所破坏并验证量子关联演化过程中的突变现象，推翻了Lindblad关于量子关联的猜想。该项目在量子物理基本问题研究方面取得系列创新成果，得到学术界广泛认可和采用，并在学科最有影响刊物发表，对学科发展有重要推动作用。项目部分成果获得2014年度安徽省自然科学一等奖。
项目推荐书及材料真实有效，对照国家自然科学奖授奖条件，同意推荐该项目为国家自然科学二等奖。
（三）项目简介
量子信息科学是二十世纪八十年代兴起的交叉学科，是量子力学应用到信息领域的产物，量子信息具有经典信息不可比拟的优势。量子纠缠是量子信息领域独有的资源，是量子信息优于经典信息的核心所在。近年来随着量子信息技术的迅猛发展，反过来促进了人们对量子物理中基本问题的研究，其中一些基本问题，如EPR佯谬和不确定关系等，是近百年来量子物理学术界一直争论的焦点。本项目组从2006年起致力于发展量子信息技术并用于研究量子物理中的基本问题，至2012年已取得若干成果。主要科学发现如下：
一、实验实现八光子纠缠态，多光子操控数目创造国际最高水平。研制出三明治型固态量子存储器并实现光子偏振态的固态量子存储，99.9%的保真度创造世界最高水平。三明治型设计已被国际著名研究组（如瑞士的Gisin组）所采用。实验解决了对任意量子纠缠在噪声信道中演化进行有效刻画的难题。本发现点对量子纠缠网络具有重要意义。
二、制备出光的波粒叠加状态，挑战玻尔互补原理设定的传统界限。实验验证纠缠辅助熵的不确定关系，并证实在待测粒子的“量子信息”事先被存储的情况下海森堡不确定关系能够被违背。本发现点加深了人们对量子物理基本问题的理解。
三、实验实现开放量子系统环境调控，并观察到马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变现象。本发现点将有力地推动纠缠态调控、耗散式量子计算及量子计量学等方向的研究。
四、实验发现量子关联可以不被环境所破坏并验证量子关联演化过程中的突变现象，同时实验推翻了Lindblad于1973年提出的每个量子态的经典关联一定大于等于其量子关联的猜想。观测到量子纠缠的崩塌与复原现象。本发现点将极大地推动量子纠缠与量子关联的物理学研究。
本项目自2006年1月1日至2012年9月30日共发表SCI论文82篇。其中8篇代表论文包括Nature子刊5篇，Physical Review Letters 3篇，代表论文共被SCI他引474次。“观察到光的波粒叠加状态”成果被选为Nature Photonics封面故事文章并被Nature Photonics, Nature Physics, NatureCHINA, Newscientist等世界著名科学杂志媒体广泛报道。“实验实现纠缠辅助熵的不确定关系”成果被NatureCHINA网站亮点报道。“观察到马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变现象”成果被Nature Physics的News and Views栏目专门报道。20篇主要论文共被SCI他引673次。本项目组的两篇代表性论文“观察到马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变现象”和“实验发现量子关联可以不被环境所破坏”入选ESI Hot Papers。
（四）客观评价
一、客观评价要点
1）项目组8篇代表论文被SCI他引474次, 单篇最高他引188次。20篇主要论文共被SCI他引673次。他引中包括Review of Modern Physics 1次，PNAS 2次，Nature 子刊14次，PRL 41次。代表论文3和4入选ESI Hot Papers。
2）引用作者中包括许多国内外专家。国外专家来自50 多个国家和地区的重要量子信息研究机构，如MIT, Harvard Univ, Univ Bristol, CALTECH, Griffith Univ, Univ Oxford, Max Planck Inst Sci Light, Univ Vienna, Univ Freiburg, Univ Munich, Univ Innsbruck, Univ Cambridge, Univ Illinois, Univ Milan, Univ Glasgow, Univ Queensland 等，包括著名专家Zeilinger，Gisin，Blatt，Kwiat，Hofmann, Paris, Guhne, Weinfurter, O’Brien, Pryde, Zukowski, Aspuru-Guzik等。
3）代表论文成果被NatureCHINA, ScienceNews, Nature Physics, Nature Photonics, Newscientist, APS网站，IOP网站等著名科学媒体重点报道。
二）代表性引用和评价
1. 实验实现八光子纠缠态与固态量子存储，纠缠演化有效刻画的研究成果。
实验实现八光子纠缠态，多光子操控数目创造国际最高水平的成果（代表论文5）被SCI他引40次。B. Dakic等人利用量子失协实现远程态制备的Nature Physics文章（引文5）中正面引用本成果。M. O. Scully教授组的理论文章[PRL 113, 083601
(2014)]和H. Weinfurter教授组的实验文章[PRL 113，040503 (2014)]中均把本成果作为多光子纠缠制备与操控的代表作加以引用。
实现光子偏振态的固态量子存储的成果（代表论文6）被SCI他引25次，其中Nature Photonics引用3次，Physical Review Letters引用次6次。F. Bussieres等人的综述文章（引文8）中引用该成果作为量子存储保真度指标的代表作。文章中首创的“三明治型”设计已经被瑞士的Gisin组等国际著名固态量子存储研究组所采用[Nature Photonics 8, 775 (2014); Optica 2, 279 (2015)]。该成果同时被APS网站和IOP网站高亮报道。
实现量子纠缠在各种噪声信道下演化的实验刻画的成果（代表论文8）被SCI 他引10次。
2. 实验制备光的波粒叠加态与实验验证纠缠辅助熵的不确定关系的研究成果。
实验制备光的波粒叠加态的成果（代表论文1）作为封面故事文章发表在2012年9月份的Nature Photonics上，并被同期杂志News and Views栏目以《波粒叠加》为题评述（引文2）。评价说：“量子惠勒延迟选择实验的实现挑战互补原理设定的传统界限”。Nature Physics杂志也以《选择的问题》为题专门报道该成果（引文3）。评价本成果“重新定义了波粒二象性的概念”。2013年1月，著名科学杂志Newscientist 以《量子影子：对物质奥秘的更深入理解》为题以封面故事文章的形式报道本项工作，并配有科普动画。NatureCHINA也对本成果做了专题报道（其他证明1），称赞本项成果“对光的真正本质的理解非常关键”。奥地利的Wolf奖获得者Zeilinger教授研究组即将发表在Review of Modern Physics的综述文章[arXiv:1407.2930]中详细介绍了本项成果，并采用了我们文章中的两幅图。该论文已被SCI他引16次。
实验验证纠缠辅助熵的不确定关系的成果（代表论文2）被NatureChina网站以“Quantum physics: Seeing through uncertainty”为题专门介绍（其他证明2），本成果被SCI他引26次。其中T. Pramanik等人讨论fine-grained情况下熵的不确定关系的PRL文章（引文6）中9次引用本成果，以本成果的实验装置和制备的量子态作为例子演示他们的理论结果。
3. 实验实现开放量子系统环境调控，并观察到马尔科夫环境到非马尔科夫环境的突变现象的研究成果。
实验实现开放系统环境调控并观察到环境的突变的成果（代表论文3）被SCI
他引108次。其中Nature Physics引用3次，PRL引用9次。C. J. M. Mathy等人在研究量子液体的Nature Physics文章[Nature Physics 8, 881 (2012)]中正面引用了本成果。奥地利著名量子物理学家J. T. Barreiro在同期Nature Physics的News and views 栏目以Environmental effects controlled（环境效应实现调控）为题专门报道本成果（引文4）。成果于2013年3月入选ESI Hot Papers。
4. 量子关联和量子纠缠演化的研究成果。
实验研究量子关联演化的文章（代表论文4）被SCI他引188次。其中Mazzola 等人的文章（引文7）专门研究了本实验证实过的经典消相干到量子消相干的突变，
文中称赞本论文结果“will shed new light on one of the most fundamental and fascinating aspect of quantum theory”（将对量子理论最基本和令人着迷的一个方向带来曙光）。R. Auccaise等人的PRL文章[PRL 107, 140403 (2011)]更是在NMR系统中再次验证了本实验关联突变的结果，并多次引用本论文。Modi等人在Reviews of Modern Physics 上的量子关联综述文章（引文1）中多处引用了本成果。文中说“Lindblad conjectured that the correlations in every state are at least half classical, i.e., the mutual information of the postmeasurement state is at least half the mutual information of the state before the measurement (Lindblad, 1973, 1991). Recently, Luo and Zhang (2009) and Xu et al. (2010) disproved this conjecture”（Lindblad猜想每一个态中的关联至少一半是经典关联，即测量后的态的互信息至少是测量前的态的互信息的一半（Lindblad, 1973, 1991）。最近，Luo和Zhang（2009）和Xu et al. （2010）的工作证实这个猜想是错误的）。其中Xu et al. (2010)即本实验论文。本成果于2011年1月入选ESI Hot Papers。
观测到量子纠缠的崩塌与复原现象的成果（代表论文7）被SCI他引61次并被ScienceNews杂志报道。
（五）代表性论文专著目录
（六）主要完成人情况
（七）完成人合作关系说明
五位完成人李传锋、许金时、黄运锋、柳必恒和郭光灿均来自于中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室，其中李传锋、黄运锋和柳必恒为郭光灿的研究生，许金时是李传锋和郭光灿合带的研究生。前四人获得博士学位后留到量子信息实验室工作。五位完成人从2006年1月1日至2012年9月30日全程参与本项目的合作研究。期间发表的SCI 论文均由五人中的至少两人合作完成。五人曾共同获得2014年安徽省自然科学一等奖。