我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子物理基本問題研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時等與南開大學(xué)陳景靈教授、西班牙塞維利亞大學(xué)Adán Cabello教授等合作，實(shí)驗(yàn)研究了單體高維量子系統(tǒng)中對應(yīng)于多體非定域性的量子關(guān)聯(lián)，從而觀測到迄今為止單體量子系統(tǒng)中最強(qiáng)的量子互文性。該成果6月13日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
量子互文性是量子力學(xué)的一個奇特性質(zhì)，也是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的重要資源。它指的是一個物理量在量子測量下的結(jié)果依賴于測量進(jìn)行的方式，而不僅僅是被測量的物理量本身。量子互文性使得量子力學(xué)與任何非互文性的隱變量理論都不相容，并且量子互文性與量子非定域性具有緊密的聯(lián)系。量子非定域性就是量子互文性在多體系統(tǒng)中與非互文隱變量理論相矛盾的表現(xiàn)。貝爾不等式的違背值可以表征非定域性的大小，研究表明貝爾不等式的違背值可以隨量子比特數(shù)指數(shù)增加。然而，盡管在單體高維量子系統(tǒng)中可以構(gòu)造出比多體系統(tǒng)中更豐富的測量，如何在其中獲得超越非定域性關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的互文性卻一直是懸而未決的問題。
為了構(gòu)造并觀測到單體系統(tǒng)中更強(qiáng)的量子互文性關(guān)聯(lián)，研究組從量子關(guān)聯(lián)的圖論方法入手，將非定域性關(guān)聯(lián)中所使用的測量之間的對易關(guān)系抽象為一類圖，并在單體高維系統(tǒng)中尋找對易關(guān)系與該圖同構(gòu)的另一組測量，從而用圖的參數(shù)完全量化了量子關(guān)聯(lián)的非經(jīng)典特性。研究組發(fā)現(xiàn)當(dāng)將非經(jīng)典性隨粒子數(shù)指數(shù)增長的Mermin-Ardehali-Belinskii-Klyshko(MABK)貝爾不等式用上述方法轉(zhuǎn)化為非互文性不等式時，不等式的最大違背與先前相同，但是所需的希爾伯特空間維數(shù)小于原先貝爾不等式的維數(shù)。進(jìn)一步結(jié)果表明，這種互文性從非定域性關(guān)聯(lián)向單體高維關(guān)聯(lián)“濃縮”(contextuality concentration)的現(xiàn)象廣泛存在于研究組前期發(fā)現(xiàn)的一類非定域性關(guān)聯(lián)[npj Quant. Inf.7, 66 (2021)] 中。在實(shí)驗(yàn)上，研究組發(fā)展空間光調(diào)制技術(shù)，在一個基于光子空間模式編碼的7維量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高保真度的量子態(tài)制備和測量，從而在保證前后測量之間無擾動的基礎(chǔ)上，觀測到對于從三體MABK不等式轉(zhuǎn)化得到的非互文性不等式超過68個標(biāo)準(zhǔn)差的違背，并且量子違背值與經(jīng)典極限的比值達(dá)到0.274，創(chuàng)下了單體系統(tǒng)互文性實(shí)驗(yàn)中該比值的最高紀(jì)錄。
量子互文濃縮現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅為更多奇異量子關(guān)聯(lián)的觀測打下了基礎(chǔ)，而且有望推進(jìn)通用量子計(jì)算在各種物理體系的最終實(shí)現(xiàn)。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)的博士研究生劉正昊和華北電力大學(xué)孟會賢老師為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。
圖：(a) 從三體非定域性中提取互文性的示意圖。在三體非定域性實(shí)驗(yàn)中，使用的所有投影測量之間滿足右圖所示的正交關(guān)系。(b) 觀測到單體量子系統(tǒng)中最強(qiáng)的量子互文性。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.240202
（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
