中國科大首次實驗實現量子糾纏態自檢驗

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子信息領域研究中取得新進展，該團隊李傳鋒、陳耕等人在測量設備不可信條件下實驗獲知了未知量子糾纏態保真度信息，首次在國際上實現了量子糾纏態的自檢驗。該研究成果於近日發表在國際期刊《物理評論快報》上。

量子糾纏是量子信息領域的重要資源。學術界通常採用量子態層析的辦法來測定量子糾纏態，這種方法類似於醫院中的CT掃描。通過量子態層析可以重構出糾纏態的形式，進而獲得糾纏態的保真度等重要信息。然而量子態層析方法依賴於測量設備的準確性和可靠性，不能用於對安全性有要求的量子信息任務。為解決這一問題，科學家們提出了基於貝爾不等式違背的糾纏度量方法。對於兩體兩維糾纏態來說，貝爾不等式的最大違背可以達到2根號2。一個逆向思維理論就是，如果在貝爾不等式實驗中觀察到2根號2的違背，可以認為測試的量子態就是最大糾纏態的等價形式，這被稱為糾纏態的自檢驗。更重要的是，貝爾不等式的檢驗無需精確知道雙方測量設備的測量基，只需任意改變設置獲得經典的關聯概率。將這種理論用於實際糾纏態自檢驗的一個關鍵問題是，當觀察到的貝爾不等式違背值小於2根號2時，觀察者對未知態的糾纏特性可以做出什麼樣的描述。這種描述可以定量為相對於最大糾纏態的保真度的最低可能值，即以觀察到的實際違背值為自變數的保真度下限。這個下限越優，可以給出的保真度越高，也就具有更好的魯棒性。

科學界針對不同形式的量子糾纏態自檢驗，已經做了大量的理論工作，然而相關的實驗工作一直是空白。李傳鋒、陳耕等人巧妙設計並實驗實現了兩比特和三比特量子糾纏態自檢驗實驗，針對不同形式的量子糾纏態，在測量設備無關情形下獲得了未知量子態的保真度信息，並和量子態層析的結果進行比對，證實了自檢驗結果的可靠性。這是國際上首個具有最優魯棒性的糾纏態自檢驗實驗，為把自檢驗推廣應用於各種量子信息過程打下重要基礎。

文章第一作者為博士研究生張文豪。該工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。

圖1：多種形式糾纏態產生和自檢驗實驗裝置

圖2：兩光子糾纏態的自檢驗實驗結果

來源：中國科學技術大學

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