中国科学技术大学首次检验无相容性漏洞的量子互文性

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中国科学院量子信息重点实验室在量子力学基本问题的研究中取得新进展。该实验室李传锋、柳必恒、韩永建等人首次实验检验了无相容性漏洞的Kochen-Specker(KS)量子互文性。该研究成果10月20日发表在《物理评论快报》上。论文第一作者是该实验室博士生胡晓敏。

量子非局域性包括空间上的Bell非局域性和时间上的量子互文性，是量子理论的重要特性。它们既是量子理论与经典理论的主要冲突所在，也分别是量子通讯和量子计算的资源，对它们的实验检验是量子力学基础研究和量子信息研究的重要课题。特别是对它们的无漏洞检测，一直是实验物理学家们的重要目标，因为一旦实验过程中存在漏洞，实验结果就能够用经典理论加以解释。对于Bell非局域性的检验，人们已经在理论和实验上做了大量的工作，成功封堵住一系列重要漏洞（包括探测效率漏洞、类空漏洞等），并基本实现了无漏洞的实验检测。KS量子互文性是指对一个高于两维的量子系统进行相继的两个测量，后一个测量的结果会受到前一个测量的影响，即使这两个测量本身是相容的。然而已有KS量子互文性的实验检测均存在一些漏洞，特别是量子测量的不完美所导致的相容性漏洞，使得人们甚至怀疑KS量子互文性的实验可检测性。因而实现无相容性漏洞的KS量子互文性的实验检测具有重要意义。理论研究表明，要堵上KS互文性检测中的相容性漏洞，需要高保真度的两粒子三维纠缠态，利用两个粒子的空间分离来保障相容性条件。然而已有实验方法所制备出的三维纠缠态都达不到开展这项检测所要求的高保真度。

李传锋研究组创造性地采用路径编码的方式，通过自发参量下转换过程实验制备出保真度高达97.5%的两光子三维纠缠态，该制备方法具有可扩展性，可用来制备更高维的高保真度纠缠光子对。他们进一步将两个光子在空间上分离，从而成功地堵上了相容性漏洞，实验结果以31个标准差违背经典理论的预言结果，支持了量子力学的预言。该成果在无漏洞量子互文性的实验检验方向上迈出了重要一步。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。