中國科大首次實驗驗證量子導引橢球

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力學基礎研究方面取得新進展。該團隊李傳鋒、黃運鋒研究組與澳大利亞合作者首次實驗驗證了量子導引橢球，並檢驗了其體積單配性。該項研究成果於2月22日發表在國際物理學期刊《物理評論快報》上。

量子導引（steering）的概念最早由薛定諤提出，它描述了兩個觀測者Alice和Bob共享一個量子糾纏態時，Alice對其量子比特做測量可以將Bob的量子比特製備到任意想要的量子態上。量子非局域性是量子系統獨有的特性，而量子導引則是目前被廣泛研究的一類量子非局域性。

在共享的量子態不理想，或者多方共享量子態的情況下，Alice將不能將Bob的系統導引到任意的量子態上。此時Alice所能導引Bob的量子態的集合在Bloch表示下將構成一個橢球。我們知道單比特量子態可以可視化地表示為Bloch球中的一個矢量，而量子導引橢球則為兩比特量子態提供了一個簡單的可視化表示方法。在多方共享量子態的情況下，量子導引橢球具有體積單配性。例如Alice, Bob和Charlie共享一個三比特糾纏純態，則Alice導引Bob和Alice導引Charlie的橢球體積存在一個簡潔的單配關係，即改變參數使一個導引橢球的體積變大時，另一個導引橢球的體積則會變小。

李傳鋒研究組通過巧妙設計實驗光路，在光學系統中製備出參數可調的三比特量子糾纏態，通過調節參數可以製備出不同類型的糾纏態，是驗證量子導引橢球及檢驗其體積單配性的理想平台。實驗中，研究組利用光子的偏振和路徑自由度製備出了高純度（~99%）高計數率（6000/s）的三比特糾纏純態，實驗驗證了糾纏純態的導引橢球體積的單配性。研究組進一步製備出三比特混態，實驗證實利用混態可以大幅度違背純態的體積單配關係，即純態的體積單配關係對混態不再適用，並驗證混態仍然滿足理論合作者提出的更弱的體積單配關係。

由於橢球的體積不依賴於參考系的選擇，所以該工作不僅加深了人們對量子導引這一非局域性的理解，也為量子導引橢球作為一種參考系無關的量子關聯診斷工具打下重要基礎。

該論文第一作者是中科院量子信息重點實驗室博士後張超。上述研究得到科技部、國家基金委、中科院和安徽省的支持。

不同三比特糾纏態量子導引橢球的測量結果，驗證量子導引橢球體積單配性

來源：中國科學技術大學

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