研究團隊實驗檢測了一種在量子多體系統中，不借助不等式手段即可探測非定域性的新方法。

最近中國科技大學郭光燦院士團隊的李傳鋒教授、許金時教授等人與南開大學陳景靈教授帶領的理論團隊合作，實驗檢測了一種在量子多體系統中，不借助不等式手段即可探測非定域性的新方法。該研究成果 “Experimental test of generalized Greenberger—Horne—Zeilinger-type paradoxes in and beyond graph states”於2021年4月28日在國際權威期刊《自然合作期刊 • 量子信息》 （npj Quantum Information） 在線發表。

量子非定域性反映了量子力學與經典物理對微觀現象預言的不兼容性，是量子力學中一個重要的反直覺性質。爲了探測非定域性，人們一般需要藉助一種稱爲“貝爾不等式”的數學工具，對大量相同的量子態進行測試，再從統計規律中發現與經典預言的矛盾。1989年，Greenberger， Horne 和Zeilinger （GHZ）找到首個探測非定域性的無不等式方法，即著名的GHZ佯謬方法。由於受到量子非定域性的影響，量子力學中對易可觀測量的期望值不滿足乘積運算法則，從而導致GHZ佯謬 ”1=-1”。這種無不等式方法具有所需實驗次數少、不依賴統計便可以確定性地觀測到量子與經典預言的矛盾等優勢。然而迄今爲止，無不等式方法只適用於非常有限的一些量子態，並且人們對於該方法在探測非定域性之外的應用知之甚少。

我國學者在量子非定域性的無不等式研究方向已經取得了一系列成果，其中包括找到貝爾不等式向無不等式判據轉化的方法、使用無不等式方法觀測量子導引等。在本項工作中，研究團隊首先對於一類名爲圖態的多體量子態，構造出了檢測量子非定域性的無不等式方法。他們使用糾纏的光子產生圖態，利用無不等式方法實驗檢測了量子非定域性，並且展示了一系列應用。他們的工作表明，這種方法不僅適用於觀測貝爾非定域性，而且可以反映出量子多體系統中的真實多體糾纏、還可以在量子態驗證等量子信息任務中發揮優勢。研究團隊進一步發現，相比於Greenberger等人發展的傳統無不等式方法只能夠在對糾纏純態中發揮作用，他們的新成果同樣適用於混合糾纏態，並且在這些混合態中還可以用來觀測量子導引，從而一方的測量結果會改變其它方的狀態，體現了量子力學在非定域性之外更廣泛的非經典性質。該研究成果展示了無不等式方法在量子非定域性、量子態驗證等方向廣泛的應用潛力，同時爲基於圖態的光量子信息處理構建了有效的實驗平臺。

審稿人評價稱：“該工作的成果詳盡，廣泛且結構合理。使用無不等式方法進行糾纏目擊和量子態鑑別具有很強的應用潛力。”“該工作在一個具有基礎意義和實際應用的領域，同時給出了新穎的理論和實驗結果。”

該工作的共同第一作者爲中科院量子信息重點實驗室的博士研究生劉正昊和南開大學陳省身數學研究所的博士研究生周潔。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。

論文鏈接：https：//www.nature.com/articles/s41534-021-00397-z