中國科大實驗驗證首次觀測到多體量子導引的非單配性共享關(guān)系

3月28日消息（余予）來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團隊近期在量子信息基礎(chǔ)研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、許金時、孫凱等人對多體量子導引的關(guān)系結(jié)構(gòu)進行了實驗研究，首次觀測到多體量子導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導引。

據(jù)悉，作為一種量子非局域現(xiàn)象，量子導引擁有獨特的非對稱性質(zhì)，能進一步實現(xiàn)單向量子導引在量子導引的研究上，在多體量子導引的研究中，單配性關(guān)系會限制量子導引在個體之間的分享能力，使得一方不能同時被其他參與方導引。然而，理論研究表明，在增加測量方向的情況下，多體量子導引會出現(xiàn)違背單配性的現(xiàn)象，展示出多體之間豐富的導引共享關(guān)系結(jié)構(gòu)。為了實驗驗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)進行任意測量，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)。

對此，基于光學平臺，李傳鋒、許金時、孫凱等人近年來系統(tǒng)地開展了包括全對無（all-versus-nothing）量子導引的驗證、單向量子導引的實現(xiàn)等量子導引的實驗研究。本工作中，研究組進一步利用光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，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)，平均保真度達到96%。研究組通過拓展量子導引的不確定關(guān)系判據(jù)，研究了多體量子導引的非單配性共享關(guān)系。

圖1，三體系統(tǒng)中的量子導引結(jié)構(gòu)。其中不帶叉箭頭表示一方可以導引另一方，帶叉箭頭表示一方不可以導引另一方。a.量子導引的單配性關(guān)系結(jié)構(gòu)。任何一方不能被另外兩方同時導引；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導引。（圖源：中國科大新聞網(wǎng)）

實驗結(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導引，這種現(xiàn)象違背了傳統(tǒng)的單配性關(guān)系，證實了多體量子導引的共享性質(zhì)。研究組通過對處于W態(tài)（一類多體糾纏態(tài)）的三體系統(tǒng)進行了充分的分析，展示了不同的量子導引架構(gòu)。利用所證實的多體量子導引非單配性的共享關(guān)系，研究組進一步實現(xiàn)了三體真糾纏的實驗驗證。與常規(guī)方法相對比，這種檢測方法只需要更少的測量資源，展現(xiàn)了其高效性。

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

這項研究成果于3月24日在國際知名物理學期刊《物理評論快報》上發(fā)表。中科院量子信息重點實驗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、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。

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

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