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(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究中取得新進(jìn)展，該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、柳必恒、韓永建及其合作者首次在實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(bào)》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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)（Bell不等式）突飛猛進(jìn)，2015年實(shí)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。目前，學(xué)術(shù)界已公認(rèn)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(yīng)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(jì)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(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步排除其它漏洞？比如，物理學(xué)和哲學(xué)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(shí)上由于所有事件在時間上追溯到足夠遠(yuǎn)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(xué)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(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究。他們設(shè)計(jì)出一種精妙的光學(xué)分束器，利用它在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行一系列測量。研究組首先實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行互文性檢驗(yàn)的同時檢驗(yàn)相應(yīng)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(dǎo)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(xiàng)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(xué)基本問題的認(rèn)識。同時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，一個量子系統(tǒng)能同時提供容錯量子計(jì)算和設(shè)備無關(guān)的量子保密通訊的資源，為設(shè)計(jì)融量子計(jì)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(xué)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。