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我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)近期在量子信息基礎(chǔ)研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)、孫凱等人對(duì)多體量子導(dǎo)引的關(guān)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，首次觀測(cè)到多體量子導(dǎo)引的非單配性共享關(guān)系，即其中一方的量子態(tài)可以被另外兩方同時(shí)導(dǎo)引。這項(xiàng)研究成果于3月24日發(fā)表在國(guó)際知名物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

量子導(dǎo)引描述了一個(gè)粒子通過(guò)局域測(cè)量影響另一個(gè)粒子量子態(tài)的能力。作為一種量子非局域現(xiàn)象，量子導(dǎo)引擁有獨(dú)特的非對(duì)稱性質(zhì)，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單向量子導(dǎo)引，即一方可以導(dǎo)引另一方，反過(guò)來(lái)卻不行。在多體量子導(dǎo)引的研究中，單配性關(guān)系會(huì)限制量子導(dǎo)引在個(gè)體之間的分享能力，使得一方不能同時(shí)被其他參與方導(dǎo)引。然而，理論研究表明，在增加測(cè)量方向的情況下，多體量子導(dǎo)引會(huì)出現(xiàn)違背單配性的現(xiàn)象，展示出多體之間豐富的導(dǎo)引共享關(guān)系結(jié)構(gòu)。為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種非單配性共享關(guān)系，我們需要能夠?qū)Χ囿w量子系統(tǒng)進(jìn)行任意測(cè)量，這就要求我們制備具有高保真度的多體糾纏量子比特系統(tǒng)。

基于光學(xué)平臺(tái)，李傳鋒、許金時(shí)、孫凱等人近年來(lái)系統(tǒng)地開展了量子導(dǎo)引的實(shí)驗(yàn)研究，包括全對(duì)無(wú)（all-versus-nothing）量子導(dǎo)引的驗(yàn)證[PRL 113, 140402 (2014)]、單向量子導(dǎo)引的實(shí)現(xiàn)[PRL 116, 160404 (2016); PRL 118, 140404 (2017)]等。在本工作中，研究組進(jìn)一步利用光子的偏振、路徑和軌道角動(dòng)量三個(gè)自由度，構(gòu)建了三量子比特系統(tǒng)，制備了一系列的三體糾纏態(tài)，平均保真度達(dá)到96%。研究組通過(guò)拓展量子導(dǎo)引的不確定關(guān)系判據(jù)，研究了多體量子導(dǎo)引的非單配性共享關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在三體量子系統(tǒng)中，一方的量子態(tài)可以被另外兩方同時(shí)導(dǎo)引，這種現(xiàn)象違背了傳統(tǒng)的單配性關(guān)系，證實(shí)了多體量子導(dǎo)引的共享性質(zhì)。研究組通過(guò)對(duì)處于W態(tài)（一類多體糾纏態(tài)）的三體系統(tǒng)進(jìn)行了充分的分析，展示了不同的量子導(dǎo)引架構(gòu)。利用所證實(shí)的多體量子導(dǎo)引非單配性的共享關(guān)系，研究組進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了三體真糾纏的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。與常規(guī)方法相對(duì)比，這種檢測(cè)方法只需要更少的測(cè)量資源，展現(xiàn)了其高效性。

圖1，三體系統(tǒng)中的量子導(dǎo)引結(jié)構(gòu)。其中不帶叉箭頭表示一方可以導(dǎo)引另一方，帶叉箭頭表示一方不可以導(dǎo)引另一方。a.量子導(dǎo)引的單配性關(guān)系結(jié)構(gòu)。任何一方不能被另外兩方同時(shí)導(dǎo)引；b.違背單配性的共享關(guān)系結(jié)構(gòu)。某一方可以被另外兩方同時(shí)導(dǎo)引。

這項(xiàng)成果展示了量子導(dǎo)引在多體系統(tǒng)中豐富的關(guān)系結(jié)構(gòu)，加深了對(duì)量子導(dǎo)引物理概念的理解，對(duì)量子信息基礎(chǔ)研究具有重要意義。同時(shí)該工作為基于量子導(dǎo)引單配性的信息協(xié)議提供了全面的分析視角，在多用戶量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)的搭建、多體糾纏檢測(cè)中都具有重要的應(yīng)用前景。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生郝澤琰為該工作第一作者。本研究得到科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.120402

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）