量子網絡中的非定域性研究獲進展

　　近日，中國科學技術大學潘建偉、張強、范靖云等與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、上海交通大學等單位的科研人員合作，在國際上首次在關閉定域性、測量獨立性以及糾纏源獨立性等漏洞的基礎上，實驗實現了對量子網絡中的二元隱變量理論的實驗檢驗，為量子網絡中量子非定域性的實驗研究以及應用開辟了新的道路。相關成果于北京時間8月27日在線發表于國際學術期刊《自然-光子學》。

　　非定域性是量子力學的重要性質，也是愛因斯坦質疑量子力學完備性的主要原因。過去的幾十年里，在各種二體物理系統中進行的以貝爾不等式違背為代表的非定域性實驗檢驗全部支持量子非定域性。在這個過程中發展起來的理論和實驗技術，為量子信息科學的發展奠定了基礎，并起到了極大的推動作用。隨著量子網絡的發展，人們發現其復雜的拓撲結構和其中相互獨立的糾纏源，會給量子非定域性帶來更加豐富的物理內涵和更多潛在的應用。比如，在糾纏交換網絡中，兩個來自獨立糾纏源的光子，不需要有任何共同歷史和相互作用，就能發生量子糾纏。將貝爾的單一隱變量理論合理地推廣到二元隱變量理論，即每個糾纏源所對應的隱變量也是相互獨立的，可以推導出類似貝爾不等式的二元定域不等式。相比于二體系統下的貝爾不等式，違背該二元定域不等式，即驗證非二元定域性，對系統對比度的要求更低，而且具有更高的噪聲容忍度。該理論可以推廣到更復雜的量子網絡中。鑒于近年來無漏洞貝爾檢驗在設備無關量子信息處理中的重要應用，可以預見這類多元非定域性在量子網絡中的設備無關量子信息處理中將發揮重要作用。目前，這方面的理論研究方興未艾，對于量子網絡中的多元定域不等式以及其應用的研究成為一個熱點。

　　然而，實驗上實現對二元定域不等式的無漏洞檢驗卻存在很大的技術難度。除了之前的無漏洞貝爾不等式檢驗中所要關閉的所有漏洞之外，該實驗還需要額外關閉糾纏源之間的獨立性漏洞。在此之前的此類實驗中，還沒有任何一個漏洞被成功關閉。

　　近年來，潘建偉、張強等在國際上首次實現了獨立糾纏源的遠距離同步技術，先后完成了城域光纖網絡中基于獨立糾纏源的量子隱形傳態（Nature Photonics 10, 671 (2016)）和百公里糾纏交換（Optica 4, 1214 (2017)）等一系列工作。在這些工作的基礎上，他們將具有隨機相位的激光脈沖作為糾纏源的種子光，完全保證了糾纏源的獨立性，關閉了糾纏源的獨立性漏洞；他們也進一步發展了高速偏振調制器，通過量子隨機數發生器產生的信號對其進行驅動，在250MHz重復頻率下，實現了對光子偏振態高達99%保真度的精準調控。上述技術的發展極大縮短了非定域性檢驗所需的距離要求，從而使得只需構建小型量子網絡就可以同時關閉定域性和測量獨立性漏洞。在該實驗中，他們也實現了對二元定域不等式高達45個標準差的違背，演示了其優于貝爾不等式違背的噪聲容忍度。

　　該實驗得到審稿人的高度評價：“這是在量子網絡中有潛在應用價值的重要技術進步”和“鑒于最近在實驗量子通信方面取得了進展，這個實驗是非常及時的，它為展示了未來更復雜的量子網絡中的非經典相關性的更先進的實驗開辟了道路”。

　　論文的第一作者為微尺度國家研究中心博士后孫啟超，博士生江揚帆、白冰為共同第一作者，該研究工作得到中科院、科技部重點研發計劃項目、國家自然科學基金、教育部和安徽省的支持。

量子網絡中的非定域性研究獲進展