中國科大實驗檢驗量子網絡的非局域性

我校郭光燦院士團隊在非局域量子網絡研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Armin Tavakoli博士等人合作，使用超糾纏實現基于對稱聯合測量（symmetric joint measurements）的糾纏交換，并研究雙局域貝爾不等式（Bilocal Bell inequality）和全量子網絡非局域性（Full network nonlocality）。該成果7月13日發表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

貝爾非局域是量子力學和量子信息科學的重要基礎。近十多年來，對非局部性的研究不再局限于兩體問題，而是轉向更復雜的結構。這類實驗涉及多個獨立的糾纏源，實驗中將這些糾纏源進行多方分發和糾纏測量并最終形成非局域量子網絡。由于量子網絡所展示的非局域性突破了傳統貝爾實驗的框架，因此在物理理論和實驗上都存在巨大的挑戰。

目前實驗上連接獨立糾纏源的糾纏測量主要是利用標準的貝爾態測量，對于更一般的糾纏測量及其所建立的非局域量子網絡的性質研究還很缺乏。對稱聯合測量是一類重要的糾纏測量，與貝爾態測量有著本質的不同。它具有優雅而自然的對稱性，可以作為一種量子信息資源進行利用。任意的對稱聯合測量需要控制非門和控制相位門的級聯操作，這給只能概率性實現不同光子間的控制門的線性光學量子網絡帶來非常大的挑戰。

在本實驗中，研究組首先制備出一個超糾纏對，產生的兩個光子的態分別在偏振自由度和路徑自由度存在糾纏。然后，在同一個光子的偏振自由度和路徑自由度通過一個通用量子線路來實現任意的對稱聯合測量。由于同一個光子的不同自由度之間可以實現確定性的控制門，研究組經過自行設計的偏振-路徑交換裝置確定性實現了任意的對稱聯合測量。實驗結果表明研究組實現的對稱聯合測量保真度達到了97.4%。 研究組利用對稱聯合測量實現了糾纏交換，并研究了雙局域貝爾不等式（Bilocal Bell inequality）和全量子網絡非局域性（Full network nonlocality）。實驗結果展示了與標準貝爾態測量的非局域量子網絡完全不同的性質。

該成果邁出了超越基于標準貝爾態測量的非局域量子網絡的第一步，證明了不同的糾纏測量會構造出不同優勢的非局域量子網絡，為構建不同結構的非局域量子網絡提供一種技術路線。

文章第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生黃岑瀟和副研究員胡曉敏博士。本研究得到科技部、國家基金委、合肥國家實驗室和中國科學院的支持，柳必恒研究員是中國科學技術大學仲英青年學者。

圖1：實驗原理示意圖，對稱聯合測量作用在量子比特2和3上。

圖2：實驗裝置圖。

圖3：左圖為雙局域貝爾不等式（Bilocal Bell inequality）的實驗結果，右圖為全量子網絡非局域性（Full network nonlocality）的實驗結果。