中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子非局域性研究方面取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)柳必恒研究組與瑞典隆德大學(xué)Armin Tavakoli博士團(tuán)隊(duì)合作，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了高保真度高維多光子糾纏態(tài)制備，并首次觀測到真高維多體非局域性的存在。該工作5月30日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

量子非局域性是量子力學(xué)最深刻的現(xiàn)象之一，揭示了量子物理與經(jīng)典物理本質(zhì)上的區(qū)別，同時也為量子信息的安全提供了保障。長期以來，非局域性的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在兩個粒子和二維系統(tǒng)（即“量子比特”）之間。而真實(shí)世界中的許多量子過程涉及多個粒子和更高維度，這意味著高維多體系統(tǒng)不僅是基本科學(xué)問題的重要延伸，也為提升量子系統(tǒng)的信息處理能力、抗干擾能力和通信容量提供了可能。然而，由于高維度與多體系統(tǒng)帶來的復(fù)雜度急劇增加，這一領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究一直面臨巨大的挑戰(zhàn)。

為攻克上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于“路徑不可區(qū)分性”原理的高維多體糾纏態(tài)制備方法。該方案利用光子的路徑自由度編碼三維量子態(tài)，并通過偏振控制實(shí)現(xiàn)二維平面中不同路徑間的高效交換操作，從而在保持高度相干性的同時顯著提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與操控精度。通過該方法，實(shí)驗(yàn)成功制備了三光子三維Greenberger–Horne–Zeilinger（GHZ）態(tài)，糾纏態(tài)保真度高達(dá)91%，創(chuàng)造了高維多光子糾纏態(tài)保真度的最高紀(jì)錄，為非局域性檢測提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及HOM干涉可見度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建新型貝爾不等式檢驗(yàn)范式，實(shí)驗(yàn)觀測到超越量子比特系統(tǒng)理論極限的量子關(guān)聯(lián)。該成果首次在實(shí)驗(yàn)層面證實(shí)了真實(shí)高維多體非局域性的存在，為設(shè)備無關(guān)型量子信息應(yīng)用的未來發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。這項(xiàng)突破性成果不僅填補(bǔ)了國際高維多體量子非局域性實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的空白，更深化了人類對量子糾纏本質(zhì)的認(rèn)知，同時為構(gòu)建可擴(kuò)展、高容量、抗噪聲的量子信息處理系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。作為新型量子資源，高維多體糾纏態(tài)在量子通信、量子計(jì)算與量子精密測量等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。

圖2 真高維多體量子非局域性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文章第一作者為量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室特任教授胡曉敏和博士后黃岑瀟，通訊作者為研究員柳必恒與Armin Tavakoli博士。該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59717-y

（量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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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