記者3日從中國科學技術(shù)大學獲悉，中國科學院院士、該校教授郭光燦團隊柳必恒研究組與同行合作，在實驗上實現(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。該研究成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。
量子非局域性是量子力學最深刻的現(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，非局域性的實驗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)帶來的復雜度急劇增加，這一領(lǐng)域的實驗研究一直面臨巨大的挑戰(zhàn)。
為攻克上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出并實現(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，實驗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91%，創(chuàng)造了高維多光子糾纏態(tài)保真度的最高紀錄，為非局域性檢測提供了堅實的基礎(chǔ)。
在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過構(gòu)建新型貝爾不等式檢驗范式，實驗觀測到超越量子比特系統(tǒng)理論極限的量子關(guān)聯(lián)。該成果首次在實驗層面證實了真實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)。
研究人員表示，這項突破性成果不僅填補了國際高維多體量子非局域性實驗研究領(lǐng)域的空白，更深化了人類對量子糾纏本質(zhì)的認知，同時為構(gòu)建可擴展、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。高維多體糾纏態(tài)將在量子通信、量子計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。
（中國科學技術(shù)大學供圖）
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