中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在多體量子非局域性研究方面取得重要進展。該團隊李傳鋒、黃運鋒、張超等人與西南交通大學(xué)羅明星等人合作，首次同時驗證了真多體非局域性和網(wǎng)絡(luò)非局域性。成果2月24日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
 

　　量子非局域性是量子體系的核心特征之一。它展示了相距遙遠(yuǎn)的(類空間隔)觀測者對糾纏粒子作局域測量可以觀測到超越經(jīng)典(局域隱變量理論)所能產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)分布。自從1964年貝爾理論提出后，量子非局域性得到了大量的實驗驗證，其中的先驅(qū)性工作最終獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎。近年來，人們開始研究更復(fù)雜體系的量子非局域性。一方面，研究人員提出了真多體非局域性的概念，即局域測量產(chǎn)生的量子關(guān)聯(lián)不能分解成二可分幾率分布的組合。真多體非局域性不僅可以用于設(shè)備無關(guān)的真多體糾纏態(tài)驗證，而且是量子多方協(xié)議安全性保障的理論依據(jù)。另一方面，研究人員研究了由多個獨立源構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的非局域性。這一擴展涉及獨立源的假設(shè)，將原有貝爾理論中單個局域隱變量擴展成多個獨立隱變量，因此在量子網(wǎng)絡(luò)中可以產(chǎn)生更加豐富的非局域關(guān)聯(lián)。然而，在單一實驗中實現(xiàn)這兩種非局域性的同時驗證卻是個懸而未決的問題。
 

　　在本工作中，研究組提出了一種在單個實驗中同時驗證兩種非局域性的方法。研究了如圖1所示的混合量子網(wǎng)絡(luò)。在實驗中，研究組首先利用兩套糾纏源制備出三光子廣義GHZ態(tài)，再通過貝爾基測量將三光子廣義GHZ態(tài)與第三套源連接構(gòu)造出混合量子網(wǎng)絡(luò)。實驗結(jié)果表明，由每個觀測者局域測量所產(chǎn)生的非局域關(guān)聯(lián)，不能由一個二可分三體源和一個兩體后量子源(滿足無信號原理)模擬，從而同時驗證了該混合網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)絡(luò)非局域性(Fullnetworknonlocality)和三體糾纏源的真多體非局域性。
 

　　本工作的一個貢獻是引入了一種新的網(wǎng)絡(luò)非局域性，比此前定義的全網(wǎng)絡(luò)非局域性更強，它要求網(wǎng)絡(luò)中所有源都是真多體非局域資源。另一個貢獻是提供了一種利用網(wǎng)絡(luò)輔助驗證真多體糾纏態(tài)的方法。已有結(jié)論表明：利用真多體非局域性可以實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)的真多體糾纏態(tài)驗證，但并非所有真多體糾纏態(tài)都能產(chǎn)生真多體非局域關(guān)聯(lián)。在本工作中，研究組利用網(wǎng)絡(luò)輔助實現(xiàn)了對廣義三比特GHZ態(tài)的真多體糾纏驗證，而已有理論證明利用常用的Svetlichny不等式無法實現(xiàn)該量子態(tài)的真多體糾纏驗證。
 

圖1 由三體糾纏源和兩體糾纏源構(gòu)造的混合量子網(wǎng)絡(luò)示意圖(左)和實驗裝置圖(右)
 

　　文章共同第一作者為中國科學(xué)院量子信息重點實驗室博士研究生王寧寧和西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊雪博士。本工作得到了合肥國家實驗室、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。