檢驗無相容性漏洞量子互文關(guān)系的實驗裝置圖
中國科技大學郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中國科學院量子信息重點實驗室在量子力學基本問題的研究中取得重要進展。該實驗室李傳鋒、柳必恒、韓永建等人首次實驗檢驗了無相容性漏洞（compatibility loophole）的Kochen-Specker(KS)量子互文性(contextuality)。該研究成果10月20日發(fā)表在國際權(quán)威物理學期刊《物理評論快報》上。
量子非局域性包括空間上的Bell非局域性和時間上的量子互文性，是量子理論的重要特性。它們既是量子理論與經(jīng)典理論的主要沖突所在，也分別是量子通訊和量子計算的資源，對它們的實驗檢驗是量子力學基礎(chǔ)研究和量子信息研究的重要課題。特別是對它們的無漏洞檢測，一直是實驗物理學家們的重要目標，因為一旦實驗過程中存在漏洞，實驗結(jié)果就能夠用經(jīng)典理論加以解釋。對于Bell非局域性的檢驗，人們已經(jīng)在理論和實驗上做了大量的工作，成功封堵住一系列重要漏洞（包括探測效率漏洞、類空漏洞等），并基本實現(xiàn)了無漏洞的實驗檢測。KS量子互文性是指對一個高于兩維的量子系統(tǒng)進行相繼的兩個測量，后一個測量的結(jié)果會受到前一個測量的影響，即使這兩個測量本身是相容的。然而已有KS量子互文性的實驗檢測均存在一些漏洞，特別是量子測量的不完美所導(dǎo)致的相容性漏洞，使得人們甚至懷疑KS量子互文性的實驗可檢測性。因而實現(xiàn)無相容性漏洞的KS量子互文性的實驗檢測具有重要意義。理論研究表明，要堵上KS互文性檢測中的相容性漏洞，需要高保真度的兩粒子三維糾纏態(tài)，利用兩個粒子的空間分離來保障相容性條件。然而已有實驗方法所制備出的三維糾纏態(tài)都達不到開展這項檢測所要求的高保真度。
李傳鋒研究組創(chuàng)造性地采用路徑編碼的方式，通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程實驗制備出保真度高達97.5%的兩光子三維糾纏態(tài)，該制備方法具有可擴展性，可用來制備更高維的高保真度糾纏光子對。他們進一步將兩個光子在空間上分離，從而成功地堵上了相容性漏洞，實驗結(jié)果以31個標準差違背經(jīng)典理論的預(yù)言結(jié)果，支持了量子力學的預(yù)言。本成果在無漏洞量子互文性的實驗檢驗方向上邁出了重要一步。
審稿人認為“這是個重要結(jié)果”，“實驗技術(shù)杰出”，“文章結(jié)果和高保真度高維糾纏源將對從事量子物理基本問題、量子態(tài)制備、量子態(tài)掃描和量子計算等方向研究的科學家具有廣泛興趣”。（This is an important result”, “The technical aspects of the experiment are excellent”,
“The presented results and high-fidelity source may be of broad interest to scientists working in the fields of quantum foundations, state generation，tomography, and quantum computation.” ）
該論文第一作者是中科院量子信息重點實驗室的博士生胡曉敏。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。
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