中国科大首次利用量子互文性产生出量子非局域性

2016-12-01 13:32 来源: 中国科学技术大学
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  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础研究中取得新进展,该实验室李传锋、柳必恒、韩永建及其合作者首次在实验上利用量子互文性产生出量子非局域性,并首次证明光子的测量结果与其历史无关,为堵上非局域性检验中的自由意志漏洞打下了重要基础。该成果于11月23日发表在《物理评论快报》上。

  随着量子信息技术的发展,近年来对于量子非局域性的实验检验(Bell不等式)突飞猛进,2015年实现了同时排除两个主要漏洞(即局域漏洞和探测漏洞)的Bell不等式实验检验。目前,学术界已公认量子非局域性是量子物理的最基本特性之一。随之而来出现两个更深入的问题:一、量子非局域性的起源是什么,它是否由量子物理的其它基本特性产生?比如量子互文性。量子互文性是指在单个大于两维的量子系统中,两个相继发生的量子测量,后一个测量的结果会受到前者的影响。相应的,量子非局域性则是两个(或多个)量子系统之间的量子关联特性。研究表明,量子互文性是容错量子计算的基本资源,量子非局域性则是设备无关的量子保密通讯的基本资源。二、能否在非局域性实验中进一步排除其它漏洞?比如,物理学和哲学都非常感兴趣的自由意志漏洞。这个漏洞是指看起来是两边自由选择了各自的测量,但事实上由于所有事件在时间上追溯到足够远时都有一个共同的过去,所以也许是两边共同的过去事件决定了现在的测量,这就不需要量子力学也可以违背Bell不等式。要完全堵上自由意志漏洞是极其困难的,但是作为第一步,可以证明对于光子的测量结果与其历史无关。

  李传锋研究组对这两个问题展开了细致的实验研究。他们设计出一种精妙的光学分束器,利用它在实验上制备出高保真度的两光子四比特纠缠态,然后把两个光子(分别携带两个比特)分发给A和B两个测量者。二者分别对自己的两个比特进行一系列测量。研究组首先实验验证纠缠态本身不能违背Bell不等式,没有非局域性。然后,他们对A边的光子做相继测量,进行互文性检验的同时检验相应的Bell不等式。结果表明,这时Bell不等式被违背了,也就是说他们利用量子互文性产生出了量子非局域性。另一方面,这个不等式恰好可以从自由意志定理推导出来,它的违背意味着对于光子的测量结果与其历史无关。

  该项工作对于量子非局域性和量子互文性等的理解具有重要的推动作用,加深了人们对量子力学基本问题的认识。同时,实验结果也表明,一个量子系统能同时提供容错量子计算和设备无关的量子保密通讯的资源,为设计融量子计算和保密量子通讯为一体的量子系统奠定了基础。

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

从量子互文性产生量子非局域性实验示意图