我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、黃運(yùn)鋒研究組與澳大利亞合作者首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子導(dǎo)引橢球，并檢驗(yàn)了其體積單配性。該項(xiàng)研究成果2019年2月22日發(fā)表在國際權(quán)威物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

量子導(dǎo)引（steering）的概念最早由薛定諤提出，它描述了兩個(gè)觀測者Alice和Bob共享一個(gè)量子糾纏態(tài)時(shí)，Alice對(duì)其量子比特做測量可以將Bob的量子比特制備到任意想要的量子態(tài)上。量子非局域性是量子系統(tǒng)獨(dú)有的特性，而量子導(dǎo)引則是目前被廣泛研究的一類量子非局域性。

在共享的量子態(tài)不理想，或者多方共享量子態(tài)的情況下，Alice將不能將Bob的系統(tǒng)導(dǎo)引到任意的量子態(tài)上。此時(shí)Alice所能導(dǎo)引Bob的量子態(tài)的集合在Bloch表示下將構(gòu)成一個(gè)橢球。我們知道單比特量子態(tài)可以可視化地表示為Bloch球中的一個(gè)矢量，而量子導(dǎo)引橢球則為兩比特量子態(tài)提供了一個(gè)簡單的可視化表示方法。在多方共享量子態(tài)的情況下，量子導(dǎo)引橢球具有體積單配性。例如Alice, Bob和Charlie共享一個(gè)三比特糾纏純態(tài)，則Alice導(dǎo)引Bob和Alice導(dǎo)引Charlie的橢球體積存在一個(gè)簡潔的單配關(guān)系，即改變參數(shù)使一個(gè)導(dǎo)引橢球的體積變大時(shí)，另一個(gè)導(dǎo)引橢球的體積則會(huì)變小。

李傳鋒研究組通過巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光路，在光學(xué)系統(tǒng)中制備出參數(shù)可調(diào)的三比特量子糾纏態(tài)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)可以制備出不同類型的糾纏態(tài)，是驗(yàn)證量子導(dǎo)引橢球及檢驗(yàn)其體積單配性的理想平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)中，研究組利用光子的偏振和路徑自由度制備出了高純度（~99%）高計(jì)數(shù)率（6000/s）的三比特糾纏純態(tài)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了糾纏純態(tài)的導(dǎo)引橢球體積的單配性。研究組進(jìn)一步制備出三比特混態(tài)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)利用混態(tài)可以大幅度違背純態(tài)的體積單配關(guān)系，即純態(tài)的體積單配關(guān)系對(duì)混態(tài)不再適用。并驗(yàn)證混態(tài)仍然滿足理論合作者提出的更弱的體積單配關(guān)系。

由于橢球的體積不依賴于參考系的選擇，所以本工作不僅加深了人們對(duì)量子導(dǎo)引這一非局域性的理解，也為量子導(dǎo)引橢球作為一種參考系無關(guān)的量子關(guān)聯(lián)診斷工具打下重要基礎(chǔ)。

不同三比特糾纏態(tài)量子導(dǎo)引橢球的測量結(jié)果，驗(yàn)證量子導(dǎo)引橢球體積單配性

該論文第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后張超。上述研究得到科技部、國家基金委、中國科學(xué)院和安徽省的支持。

附文章鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.070402

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）