中國科大首次利用量子互文性產(chǎn)生出量子非局域性

　　中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學教授郭光燦領(lǐng)導的中國科學院量子信息重點實驗室在量子力學基礎(chǔ)研究中取得新進展，該實驗室李傳鋒、柳必恒、韓永建及其合作者首次在實驗上利用量子互文性產(chǎn)生出量子非局域性，并首次證明光子的測量結(jié)果與其歷史無關(guān)，為堵上非局域性檢驗中的自由意志漏洞打下了重要基礎(chǔ)。該成果于11月23日發(fā)表在《物理評論快報》上。

　　隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，近年來對于量子非局域性的實驗檢驗（Bell不等式）突飛猛進，2015年實現(xiàn)了同時排除兩個主要漏洞（即局域漏洞和探測漏洞）的Bell不等式實驗檢驗。目前，學術(shù)界已公認量子非局域性是量子物理的最基本特性之一。隨之而來出現(xiàn)兩個更深入的問題：一、量子非局域性的起源是什么，它是否由量子物理的其它基本特性產(chǎn)生？比如量子互文性。量子互文性是指在單個大于兩維的量子系統(tǒng)中，兩個相繼發(fā)生的量子測量，后一個測量的結(jié)果會受到前者的影響。相應的，量子非局域性則是兩個（或多個）量子系統(tǒng)之間的量子關(guān)聯(lián)特性。研究表明，量子互文性是容錯量子計算的基本資源，量子非局域性則是設(shè)備無關(guān)的量子保密通訊的基本資源。二、能否在非局域性實驗中進一步排除其它漏洞？比如，物理學和哲學都非常感興趣的自由意志漏洞。這個漏洞是指看起來是兩邊自由選擇了各自的測量，但事實上由于所有事件在時間上追溯到足夠遠時都有一個共同的過去，所以也許是兩邊共同的過去事件決定了現(xiàn)在的測量，這就不需要量子力學也可以違背Bell不等式。要完全堵上自由意志漏洞是極其困難的，但是作為第一步，可以證明對于光子的測量結(jié)果與其歷史無關(guān)。

　　李傳鋒研究組對這兩個問題展開了細致的實驗研究。他們設(shè)計出一種精妙的光學分束器，利用它在實驗上制備出高保真度的兩光子四比特糾纏態(tài)，然后把兩個光子（分別攜帶兩個比特）分發(fā)給A和B兩個測量者。二者分別對自己的兩個比特進行一系列測量。研究組首先實驗驗證糾纏態(tài)本身不能違背Bell不等式，沒有非局域性。然后，他們對A邊的光子做相繼測量，進行互文性檢驗的同時檢驗相應的Bell不等式。結(jié)果表明，這時Bell不等式被違背了，也就是說他們利用量子互文性產(chǎn)生出了量子非局域性。另一方面，這個不等式恰好可以從自由意志定理推導出來，它的違背意味著對于光子的測量結(jié)果與其歷史無關(guān)。

　　該項工作對于量子非局域性和量子互文性等的理解具有重要的推動作用，加深了人們對量子力學基本問題的認識。同時，實驗結(jié)果也表明，一個量子系統(tǒng)能同時提供容錯量子計算和設(shè)備無關(guān)的量子保密通訊的資源，為設(shè)計融量子計算和保密量子通訊為一體的量子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

　　該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。