中國科大首次利用量子互文性産生出量子非局域性

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦領導的中國科學院量子信息重點實驗室在量子力學基礎研究中取得新進展，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産生出量子非局域性，並首次證明光子的測量結果與其歷史無關，為堵上非局域性檢驗中的自由意志漏洞打下了重要基礎。該成果于11月23日發表在《物理評論快報》上。

隨著量子信息技術的發展，近年來對於量子非局域性的實驗檢驗（Bell不等式）突飛猛進，2015年實現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。隨之而來出現兩個更深入的問題：一、量子非局域性的起源是什麼，它是否由量子物理的其它基本特性産生？比如量子互文性。量子互文性是指在單個大於兩維的量子系統中，兩個相繼發生的量子測量，後一個測量的結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）量子系統之間的量子關聯特性。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備無關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，但事實上由於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，可以證明對於光子的測量結果與其歷史無關。

李傳鋒研究組對這兩個問題展開了細緻的實驗研究。他們設計出一種精妙的光學分束器，利用它在實驗上製備出高保真度的兩光子四比特糾纏態，然後把兩個光子（分別攜帶兩個比特）分發給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本身不能違背Bell不等式，沒有非局域性。然後，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。結果表明，這時Bell不等式被違背了，也就是説他們利用量子互文性産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，它的違背意味著對於光子的測量結果與其歷史無關。

該項工作對於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，實驗結果也表明，一個量子系統能同時提供容錯量子計算和設備無關的量子保密通訊的資源，為設計融量子計算和保密量子通訊為一體的量子系統奠定了基礎。

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同創新中心的資助。

從量子互文性産生量子非局域性實驗示意圖