中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證六光子GHZ非局域性

　　中科大郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在多光子非局域性研究中取得重要進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、黃運(yùn)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(yàn)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(píng)論快報(bào)》上，并被《物理評(píng)論快報(bào)》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(jì)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(yàn)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(tǒng)計(jì)特性引起了人們極大的興趣。GHZ悖論是構(gòu)造一系列測(cè)量，量子力學(xué)和局域隱變量理論對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)做出完全相反的預(yù)言，由此就可在實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算進(jìn)行判斷。然而要進(jìn)行“非此即彼”的非局域性驗(yàn)證對(duì)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(yàn)檢驗(yàn)還停留在四光子階段。

　　李傳鋒、黃運(yùn)鋒等人一方面提出了多體GHZ悖論的普適構(gòu)造方法;另一方面在自主研發(fā)的“beamlike”型糾纏源基礎(chǔ)上，巧妙設(shè)計(jì)出“三明治”型糾纏源。這種新型的糾纏源具有更好的對(duì)稱性，從而使糾纏光子對(duì)的符合效率達(dá)到0.29，糾纏度達(dá)99%，同時(shí)亮度達(dá)到每毫瓦泵浦每秒可發(fā)射2000對(duì)的水平，這些指標(biāo)超越了此前所有多光子實(shí)驗(yàn)中的報(bào)道。由此研究組制備出的六光子GHZ態(tài)保真度高達(dá)88.4%，創(chuàng)造了世界最高水平。研究組在以上基礎(chǔ)上最終實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(píng)價(jià)本項(xiàng)工作為多光子實(shí)驗(yàn)的保真度和亮度設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)(“The experiments sets a new standard in terms of fidelity and brightness in multiphoton experiments”)。本成果對(duì)量子通訊網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)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(yàn)室博士研究生張超。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。