中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)首次實(shí)驗驗證六光子GHZ非局域性

　　中科大郭光燦院士領(lǐng)導的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室在多光子非局域性研究中取得重要進(jìn)展。該實(shí)驗室李傳鋒、黃運鋒研究組成功制備出世界上最高保真度的六光子 Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)態(tài)，并首次驗證了六光子GHZ(即“非此即彼”型)非局域性，研究成果發(fā)表在12月 23日的《物理評論快報》上，并被《物理評論快報》選為編輯推薦(Editors’ Suggestion)論文。

　　量子非局域性是量子信息和量子物理的核心問(wèn)題之一，是量子通信和量子計算的重要資源。兩體的非局域性(Bell不等式)已經(jīng)被深入地研究，然而在多體情況下量子非局域性還有很多問(wèn)題亟待解決。為了驗證多體非局域性，人們提出了多種方法，包括GHZ悖論和Mermin不等式等。其中GHZ悖論由于其“非此即彼”的非統計特性引起了人們極大的興趣。GHZ悖論是構造一系列測量，量子力學(xué)和局域隱變量理論對測量結果會(huì )做出完全相反的預言，由此就可在實(shí)驗上一次性判定量子力學(xué)和隱變量理論孰是孰非，而不需要像Bell不等式和Mermin不等式那樣通過(guò)大量數據的統計計算進(jìn)行判斷。然而要進(jìn)行“非此即彼”的非局域性驗證對糾纏態(tài)的保真度要求很高。雖然近年來(lái)人們已經(jīng)能夠制備六光子甚至八光子糾纏態(tài)，但是其保真度有限，目前多光子GHZ悖論的實(shí)驗檢驗還停留在四光子階段。

　　李傳鋒、黃運鋒等人一方面提出了多體GHZ悖論的普適構造方法;另一方面在自主研發(fā)的“beamlike”型糾纏源基礎上，巧妙設計出“三明治”型糾纏源。這種新型的糾纏源具有更好的對稱(chēng)性，從而使糾纏光子對的符合效率達到0.29，糾纏度達99%，同時(shí)亮度達到每毫瓦泵浦每秒可發(fā)射2000對的水平，這些指標超越了此前所有多光子實(shí)驗中的報道。由此研究組制備出的六光子GHZ態(tài)保真度高達88.4%，創(chuàng )造了世界最高水平。研究組在以上基礎上最終實(shí)驗驗證了六光子GHZ型非局域性。

　　三明治型糾纏源示意圖

　　審稿人評價(jià)本項工作為多光子實(shí)驗的保真度和亮度設立了新標準(“The experiments sets a new standard in terms of fidelity and brightness in multiphoton experiments”)。本成果對量子通訊網(wǎng)絡(luò )、量子計算和量子物理基本問(wèn)題的研究都將帶來(lái)極大的促進(jìn)作用。

　　論文的第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室博士研究生張超。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。