中國科大觀測到單體量子系統中最強的量子互文性

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中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子物理基本問題研究中取得重要進展。該團隊教授李傳鋒、許金時與南開大學教授陳景靈、西班牙塞維利亞大學教授Adán Cabello等合作，實驗研究了單體高維量子系統中對應于多體非定域性的量子關聯，從而觀測到迄今為止單體量子系統中最強的量子互文性。6月13日，相關研究成果發表于《物理評論快報》。

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從三體非定域性中提取互文性的示意圖。 中國科大供圖

量子互文性是量子力學的一個奇特性質，也是實現通用量子計算的重要資源。它指的是一個物理量在量子測量下的結果依賴于測量進行的方式，而不僅僅是被測量的物理量本身。量子互文性使得量子力學與任何非互文性的隱變量理論都不相容，并且量子互文性與量子非定域性具有緊密的聯系。量子非定域性就是量子互文性在多體系統中與非互文隱變量理論相矛盾的表現。貝爾不等式的違背值可以表征非定域性的大小，研究表明貝爾不等式的違背值可以隨量子比特數指數增加。然而，盡管在單體高維量子系統中可以構造出比多體系統中更豐富的測量，如何在其中獲得超越非定域性關聯強度的互文性卻一直是懸而未決的問題。

為了構造并觀測到單體系統中更強的量子互文性關聯，研究組從量子關聯的圖論方法入手，將非定域性關聯中所使用的測量之間的對易關系抽象為一類圖，并在單體高維系統中尋找對易關系與該圖同構的另一組測量，從而用圖的參數完全量化了量子關聯的非經典特性。研究組發現，當將非經典性隨粒子數指數增長的Mermin-Ardehali-Belinskii-Klyshko(MABK)貝爾不等式用上述方法轉化為非互文性不等式時，不等式的最大違背與先前相同，但是所需的希爾伯特空間維數小于原先貝爾不等式的維數。進一步結果表明，這種互文性從非定域性關聯向單體高維關聯“濃縮”的現象廣泛存在于研究組前期發現的一類非定域性關聯中。

在實驗上，研究組發展空間光調制技術，在一個基于光子空間模式編碼的7維量子系統中實現了高保真度的量子態制備和測量，從而在保證前后測量之間無擾動的基礎上，觀測到對于從三體MABK不等式轉化得到的非互文性不等式超過68個標準差的違背，并且量子違背值與經典極限的比值達到0.274，創下了單體系統互文性實驗中該比值的最高紀錄。

研究人員介紹，量子互文濃縮現象的發現不僅為更多奇異量子關聯的觀測打下了基礎，而且有望推進通用量子計算在各種物理體系的最終實現。

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.240202