中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组在量子力学基本问题研究中取得新进展,该实验室李传锋、柳必恒等人与西班牙、匈牙利和德国的理论物理学家合作,首次实验证实了量子力学中强于二值关联的存在。该成果于5月4日发表在《物理评论快报》上,并入选“编辑推荐文章”。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组在量子力学基本问题研究中取得新进展,该实验室李传锋、柳必恒等人与西班牙、匈牙利和德国的理论物理学家合作,首次实验证实了量子力学中强于二值关联的存在。该成果于5月4日发表在《物理评论快报》上,并入选“编辑推荐文章”。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中国科学院量子信息重点实验室在量子力学基础研究中取得新进展,该实验室李传锋、柳必恒、韩永建及其合作者首次在实验上利用量子互文性产生出量子非局域性,并首次证明光子的测量结果与其历史无关,为堵上非局域性检验中的自由意志漏洞打下了重要基础。该成果于11月23日发表在《物理评论快报》上。

20世纪著名物理学家约翰·惠勒曾经提出一个令人深思的论断“万物源于比特(It
from
bit)”。这种观点认为信息是非常基本的,宇宙万物(包括任何粒子和场,甚至时空)都起源于信息的基本单元——比特。量子信息兴起以后,这一论断升华为“万物源于量子比特(It
from
qubit)”。以信息为基础重新构建量子理论是当前重要研究方向。该实验触及了其中至关重要的一个问题,即只考虑比特或量子比特来构建量子理论就够用了吗?

20世纪著名物理学家约翰·惠勒曾经提出一个令人深思的论断“万物源于比特(It
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bit)”。这种观点认为信息是非常基本的,宇宙万物(包括任何粒子和场,甚至时空)都起源于信息的基本单元——比特。量子信息兴起以后,这一论断升华为“万物源于量子比特(It
from
qubit)”。以信息为基础重新构建量子理论是当前重要研究方向。该实验触及了其中至关重要的一个问题,即只考虑比特或量子比特来构建量子理论就够用了吗?

随着量子信息技术的发展,近年来对于量子非局域性的实验检验突飞猛进,2015年实现了同时排除两个主要漏洞的Bell不等式实验检验。目前,学术界已公认量子非局域性是量子物理的最基本特性之一。随之而来出现两个更深入的问题: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产生?比如量子互文性。量子互文性是指在单个大于两维的量子系统中,两个相继发生的量子测量,后一个测量的结果会受到前者的影响。相应的,量子非局域性则是两个量子系统之间的量子关联特性。研究表明,量子互文性是容错量子计算的基本资源,量子非局域性则是设备无关的量子保密通讯的基本资源。二、能否在非局域性实验中进一步排除其它漏洞?比如,物理学和哲学都非常感兴趣的自由意志漏洞。这个漏洞是指看起来是两边自由选择了各自的测量,但事实上由于所有事件在时间上追溯到足够远时都有一个共同的过去,所以也许是两边共同的过去事件决定了现在的测量,这就不需要量子力学也可以违背Bell不等式。要完全堵上自由意志漏洞是极其困难的,但是作为第一步,可以证明对于光子的测量结果与其历史无关。

我们来看测量问题。量子测量是量子力学中的基本问题之一。在经典理论中,复杂的多值问题测量可以拆解成二值测量来完成。例如,对一个三值问题(设输出结果分别为1,2,3),可以通过两步二值测量完成:第一步判定测量结果是不是1,如果不是,则进行下一步二值测量来确定测量结果是2还是3。然而对于量子系统的测量,事情却没有这么简单。该实验的理论合作者利用三维量子纠缠态基于二值理论构造出一个特殊的不等式。如果实验中这个不等式被违背了,则意味着量子力学中强于二值关联的存在,或者说对多值问题的测量是不能通过拆解成二值测量来实现的。这就如同对贝尔不等式的违背会意味着局域实在论的观点是错误的一样。然而要在实验上检验这个不等式却是非常困难的,因为需要极高品质的高维纠缠源。

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李传锋研究组对这两个问题展开了细致的实验研究。他们设计出一种精妙的光学分束器,利用它在实验上制备出高保真度的两光子四比特纠缠态,然后把两个光子分发给A和B两个测量者。二者分别对自己的两个比特进行一系列测量。研究组首先实验验证纠缠态本身不能违背Bell不等式,没有非局域性。然后,他们对A边的光子做相继测量,进行互文性检验的同时检验相应的Bell不等式。结果表明,这时Bell不等式被违背了,也就是说他们利用量子互文性产生出了量子非局域性。另一方面,这个不等式恰好可以从自由意志定理推导出来,它的违背意味着对于光子的测量结果与其历史无关。

早在2016年,李传锋、柳必恒等人即自主研制出高品质的三维纠缠源[PRL 117,
170403
]。为了检验这个基于二值理论的不等式,他们简化光源的设计,进一步提高了光源的性能。实验上,他们把处于三维纠缠的两个光子分发到两个相距8米的实验室中,完全随机地选择测量基进行测量。实验观测到对二值理论预言的明显违背,违背量超过了9个标准差,从而首次实验证实量子力学中强于二值关联的存在。

该项工作对于量子非局域性和量子互文性等的理解具有重要的推动作用,加深了人们对量子力学基本问题的认识。同时,实验结果也表明,一个量子系统能同时提供容错量子计算和设备无关的量子保密通讯的资源,为设计融量子计算和保密量子通讯为一体的量子系统奠定了基础。

研究组公开了该实验的完整原始数据,以供国际同行进行更深入的数据分析。该实验将促进对量子力学理论基础的进一步研究。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

审稿人对该工作给予了高度评价:“这触及到了一个对量子力学基础至关重要的问题:如果我们想把信息作为基础来构建量子理论,那么只考虑‘比特’就够了吗?”“我推荐发表本论文,原因有二:a)确保广大读者意识到这一重要见解,因为它可以指导对量子力学理论基础的进一步研究。b)该实验完成得极其出色。”“此外,本实验的数据可以公开获取进行分析,特别是在基础性实验中,这真的是了不起的典范做法。”

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论文的第一作者为中科院量子信息重点实验室博士生胡晓敏。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的支持。

从量子互文性产生量子非局域性实验示意图

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实验证实量子力学中强于二值关联的存在的装置图

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