中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究中取得新進(jìn)展，該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、柳必恒、韓永建及其合作者首次在實(shí)驗(yàn)上利用量子互文性產(chǎn)生出量子非局域性，并首次證明光子的測(cè)量結(jié)果與其歷史無(wú)關(guān)，為堵上非局域性檢驗(yàn)中的自由意志漏洞打下了重要基礎(chǔ)。該成果于11月23日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)對(duì)于量子非局域性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)（Bell不等式）突飛猛進(jìn)，2015年實(shí)現(xiàn)了同時(shí)排除兩個(gè)主要漏洞（即局域漏洞和探測(cè)漏洞）的Bell不等式實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。目前，學(xué)術(shù)界已公認(rèn)量子非局域性是量子物理的最基本特性之一。隨之而來(lái)出現(xiàn)兩個(gè)更深入的問(wèn)題：一、量子非局域性的起源是什么，它是否由量子物理的其它基本特性產(chǎn)生？比如量子互文性。量子互文性是指在單個(gè)大于兩維的量子系統(tǒng)中，兩個(gè)相繼發(fā)生的量子測(cè)量，后一個(gè)測(cè)量的結(jié)果會(huì)受到前者的影響。相應(yīng)的，量子非局域性則是兩個(gè)（或多個(gè)）量子系統(tǒng)之間的量子關(guān)聯(lián)特性。研究表明，量子互文性是容錯(cuò)量子計(jì)算的基本資源，量子非局域性則是設(shè)備無(wú)關(guān)的量子保密通訊的基本資源。二、能否在非局域性實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步排除其它漏洞？比如，物理學(xué)和哲學(xué)都非常感興趣的自由意志漏洞。這個(gè)漏洞是指看起來(lái)是兩邊自由選擇了各自的測(cè)量，但事實(shí)上由于所有事件在時(shí)間上追溯到足夠遠(yuǎn)時(shí)都有一個(gè)共同的過(guò)去，所以也許是兩邊共同的過(guò)去事件決定了現(xiàn)在的測(cè)量，這就不需要量子力學(xué)也可以違背Bell不等式。要完全堵上自由意志漏洞是極其困難的，但是作為第一步，可以證明對(duì)于光子的測(cè)量結(jié)果與其歷史無(wú)關(guān)。

李傳鋒研究組對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)了細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究。他們?cè)O(shè)計(jì)出一種精妙的光學(xué)分束器，利用它在實(shí)驗(yàn)上制備出高保真度的兩光子四比特糾纏態(tài)，然后把兩個(gè)光子（分別攜帶兩個(gè)比特）分發(fā)給A和B兩個(gè)測(cè)量者。二者分別對(duì)自己的兩個(gè)比特進(jìn)行一系列測(cè)量。研究組首先實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證糾纏態(tài)本身不能違背Bell不等式，沒(méi)有非局域性。然后，他們對(duì)A邊的光子做相繼測(cè)量，進(jìn)行互文性檢驗(yàn)的同時(shí)檢驗(yàn)相應(yīng)的Bell不等式。結(jié)果表明，這時(shí)Bell不等式被違背了，也就是說(shuō)他們利用量子互文性產(chǎn)生出了量子非局域性。另一方面，這個(gè)不等式恰好可以從自由意志定理推導(dǎo)出來(lái)，它的違背意味著對(duì)于光子的測(cè)量結(jié)果與其歷史無(wú)關(guān)。

該項(xiàng)工作對(duì)于量子非局域性和量子互文性等的理解具有重要的推動(dòng)作用，加深了人們對(duì)量子力學(xué)基本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，一個(gè)量子系統(tǒng)能同時(shí)提供容錯(cuò)量子計(jì)算和設(shè)備無(wú)關(guān)的量子保密通訊的資源，為設(shè)計(jì)融量子計(jì)算和保密量子通訊為一體的量子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。

從量子互文性產(chǎn)生量子非局域性實(shí)驗(yàn)示意圖