中國科大郭光燦院士團隊在真多體非經(jīng)典量子測量研究中取得重要進展。該團隊項國勇、侯志博研究組和復(fù)旦大學(xué)朱黃俊研究組首次在理論上將真多體非經(jīng)典性從量子態(tài)擴展到量子測量，并實驗實現(xiàn)了基于二維光量子行走的真三體非經(jīng)典測量，用于三拷貝量子態(tài)估計任務(wù)中；實驗保真度超越最優(yōu)二可分測量11個標偏。相關(guān)研究成果于5月28日在線發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

非經(jīng)典關(guān)聯(lián)是量子世界區(qū)別于經(jīng)典世界的核心特征，是量子力學(xué)的核心基礎(chǔ)問題，也是很多量子信息處理任務(wù)的關(guān)鍵資源。實現(xiàn)非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的傳統(tǒng)方式是對糾纏量子態(tài)做局域測量。在多體情形下，非經(jīng)典關(guān)聯(lián)具有多種形式。其中真多體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)不能分解為部分子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，是多體量子系統(tǒng)中最強的關(guān)聯(lián)，因而備受關(guān)注。真多體糾纏量子態(tài)能夠展現(xiàn)出真多體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)，并在量子非局域性檢驗、量子網(wǎng)絡(luò)、量子密碼和量子精密測量中具有重要應(yīng)用價值。

除了量子態(tài)，非經(jīng)典關(guān)聯(lián)也可以存在于量子測量中。量子集體測量相比可分測量具有更強的信息提取能力，即使被測量子體系子系統(tǒng)之間不存在任何關(guān)聯(lián)。這種超越可分測量的信息提取能力只能來源于量子測量中的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)。目前國際上已經(jīng)實驗實現(xiàn)了兩拷貝集體測量，驗證了兩體非經(jīng)典測量可以展現(xiàn)比可分測量更強的信息提取能力。但是相比于量子態(tài)中的真多體關(guān)聯(lián)，如何判斷一個測量是否具備真三體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)尚不清楚，之前實驗上也沒有實現(xiàn)超越兩拷貝集體測量信息提取能力的多拷貝集體測量。

項國勇課題組在實驗上系統(tǒng)發(fā)展了兩拷貝集體測量技術(shù)[Nat.Commun.9,1（2018);Sci.Adv.5,2375（2019);PRL 124,060502（2020);PRL 125,210401（2020);PRapplied 20,044032（2023)]，和自適應(yīng)兩拷貝集體測量技術(shù)[PRL 132,110801（2024)]。在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步采用九步二維光量子行走，通過精心設(shè)計30個控制算符，最終實現(xiàn)了最優(yōu)真三拷貝集體測量，并將其用于量子態(tài)估計任務(wù)中，實驗獲得的保真度比所有二可分集體測量最高保真度高11個標偏。這種前所未有的信息提取能力表明研究團隊在國際上首次實驗實現(xiàn)了真三體量子測量。

圖：左上，真三體非經(jīng)典量子態(tài)到真三體非經(jīng)典量子測量。

右上，真三體量子測量保真度超越所有二可分測量最高保真度。

下圖，基于二維光量子行走的真三體集體測量實驗光路圖。

該工作首先建立了真三體非經(jīng)典量子測量理論，并發(fā)展了基于信息提取能力判斷真三體非經(jīng)典量子測量的方法。然后將兩拷貝集體測量技術(shù)進一步發(fā)展形成真三拷貝集體測量技術(shù)，并通過量子態(tài)估計任務(wù)驗證了超越所有二可分量子測量的信息提取能力。該工作首次展現(xiàn)了量子測量中的真多體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)，增進了人們對真多體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的認識，并為進一步探索真多體量子測量的應(yīng)用和潛力奠定了基礎(chǔ)。

中國科大少年班學(xué)院本科生周楷（已畢業(yè)）為論文第一作者，復(fù)旦大學(xué)博士后易昌浩為第二作者，中國科大項國勇教授、侯志博教授和復(fù)旦朱黃俊研究員為通訊作者。該項研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省、中國科學(xué)院和教育部的支持。

論文鏈接： https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.210201

（量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

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