近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子信息基礎(chǔ)研究中取得重要進(jìn)展，首次通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多體系統(tǒng)中量子態(tài)可被同時(shí)導(dǎo)引的特性，這一成果在多用戶量子通信、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。

量子導(dǎo)引描述了一個(gè)粒子通過局域測(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，反過來卻不行。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。

但理論研究表明，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，就需要對(duì)多體量子系統(tǒng)進(jìn)行任意測(cè)量，這就要求制備具有高保真度的多體糾纏量子比特系統(tǒng)。

此次，郭光燦院士團(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。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)

近年來，李傳鋒、許金時(shí)、孫凱等人基于光學(xué)平臺(tái)，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(all-versus-nothing)量子導(dǎo)引的驗(yàn)證、單向量子導(dǎo)引的實(shí)現(xiàn)等。在本次研究中，團(tuán)隊(duì)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%。研究人員通過拓展量子導(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。

中科大團(tuán)隊(duì)的實(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)。此外，團(tuán)隊(duì)通過對(duì)處于W態(tài)（一類多體糾纏態(tài)）的三體系統(tǒng)進(jìn)行充分地分析，展示了不同的量子導(dǎo)引架構(gòu)，并利用所證實(shí)的多體量子導(dǎo)引非單配性的共享關(guān)系，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)方法所需要的測(cè)量資源更少，展現(xiàn)了其高效性。

三體系統(tǒng)中的量子導(dǎo)引結(jié)構(gòu)（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為量子導(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為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，圖片來自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

此次研究成果展示了量子導(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。此次研究獲得科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省的支持。

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