記者3日從中國科學技術大學獲悉，中國科學院院士、該校教授郭光燦團隊柳必恒研究組與同行合作，在實驗上實現(xiàn)了高保真度高維多光子糾纏態(tài)制備，并首次觀測到真高維多體非局域性的存在。該研究成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。
量子非局域性是量子力學最深刻的現(xiàn)象之一，揭示了量子物理與經(jīng)典物理本質(zhì)上的區(qū)別，同時也為量子信息的安全提供了保障。長期以來，非局域性的實驗研究主要集中在兩個粒子和二維系統(tǒng)（即“量子比特”）之間。而真實世界中的許多量子過程涉及多個粒子和更高維度，這意味著高維多體系統(tǒng)不僅是基本科學問題的重要延伸，也為提升量子系統(tǒng)的信息處理能力、抗干擾能力和通信容量提供了可能。然而，由于高維度與多體系統(tǒng)帶來的復雜度急劇增加，這一領域的實驗研究一直面臨巨大的挑戰(zhàn)。
為攻克上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出并實現(xiàn)了一種基于“路徑不可區(qū)分性”原理的高維多體糾纏態(tài)制備方法。該方案利用光子的路徑自由度編碼三維量子態(tài)，并通過偏振控制實現(xiàn)二維平面中不同路徑間的高效交換操作，從而在保持高度相干性的同時顯著提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與操控精度。通過該方法，實驗成功制備了三光子三維Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）態(tài)，糾纏態(tài)保真度高達91%，創(chuàng)造了高維多光子糾纏態(tài)保真度的最高紀錄，為非局域性檢測提供了堅實的基礎。
在此基礎上，研究團隊通過構(gòu)建新型貝爾不等式檢驗范式，實驗觀測到超越量子比特系統(tǒng)理論極限的量子關聯(lián)。該成果首次在實驗層面證實了真實高維多體非局域性的存在，為設備無關型量子信息應用的未來發(fā)展奠定了重要基礎。
研究人員表示，這項突破性成果不僅填補了國際高維多體量子非局域性實驗研究領域的空白，更深化了人類對量子糾纏本質(zhì)的認知，同時為構(gòu)建可擴展、高容量、抗噪聲的量子信息處理系統(tǒng)提供了關鍵技術支撐。高維多體糾纏態(tài)將在量子通信、量子計算與量子精密測量等前沿領域展現(xiàn)出廣闊應用前景。
（中國科學技術大學供圖）
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