我校郭光燦院士團隊在量子物理基本問(wèn)題研究中取得重要進(jìn)展。該團隊李傳鋒、許金時(shí)等與南開(kāi)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)驗研究了單體高維量子系統中對應于多體非定域性的量子關(guān)聯(lián)，從而觀(guān)測到迄今為止單體量子系統中最強的量子互文性。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(gè)奇特性質(zhì)，也是實(shí)現通用量子計算的重要資源。它指的是一個(gè)物理量在量子測量下的結果依賴(lài)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中與非互文隱變量理論相矛盾的表現。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指數增加。然而，盡管在單體高維量子系統中可以構造出比多體系統中更豐富的測量，如何在其中獲得超越非定域性關(guān)聯(lián)強度的互文性卻一直是懸而未決的問(wèn)題。
為了構造并觀(guān)測到單體系統中更強的量子互文性關(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(lèi)圖，并在單體高維系統中尋找對易關(guān)系與該圖同構的另一組測量，從而用圖的參數完全量化了量子關(guān)聯(lián)的非經(jīng)典特性。研究組發(fā)現當將非經(jīng)典性隨粒子數指數增長(cháng)的Mermin-Ardehali-Belinskii-Klyshko(MABK)貝爾不等式用上述方法轉化為非互文性不等式時(shí)，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小于原先貝爾不等式的維數。進(jìn)一步結果表明，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)的現象廣泛存在于研究組前期發(fā)現的一類(lèi)非定域性關(guān)聯(lián)[npj Quant. Inf.7, 66 (2021)] 中。在實(shí)驗上，研究組發(fā)展空間光調制技術(shù)，在一個(gè)基于光子空間模式編碼的7維量子系統中實(shí)現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(wú)擾動(dòng)的基礎上，觀(guān)測到對于從三體MABK不等式轉化得到的非互文性不等式超過(guò)68個(gè)標準差的違背，并且量子違背值與經(jīng)典極限的比值達到0.274，創(chuàng )下了單體系統互文性實(shí)驗中該比值的最高紀錄。
量子互文濃縮現象的發(fā)現不僅為更多奇異量子關(guān)聯(lián)的觀(guān)測打下了基礎，而且有望推進(jìn)通用量子計算在各種物理體系的最終實(shí)現。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室已畢業(yè)的博士研究生劉正昊和華北電力大學(xué)孟會(huì )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)驗中，使用的所有投影測量之間滿(mǎn)足右圖所示的正交關(guān)系。(b) 觀(guān)測到單體量子系統中最強的量子互文性。
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）
