中国科大首次观察到真高维多体量子非局域性

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中国科大首次观察到真高维多体量子非局域性

2025-06-05

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我校郭光灿院士团队在量子非局域性研究方面取得重要进展，该团队柳必恒研究组与瑞典隆德大学armin t*akoli博士团队合作，在实验上实现了高保真度高维多光子纠缠态制备，并首次观测到真高维多体非局域性的存在。该工作5月30日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。

量子非局域性是量子力学最深刻的现象之一，揭示了量子物理与经典物理本质上的区别，同时也为量子信息的安全提供了保障。长期以来，非局域性的实验研究主要集中在两个粒子和二维系统（即“量子比特”）之间。而真实世界中的许多量子过程涉及多个粒子和更高维度，这意味着高维多体系统不仅是基本科学问题的重要延伸，也为提升量子系统的信息处理能力、抗干扰能力和通信容量提供了可能。然而，由于高维度与多体系统带来的复杂度急剧增加，这一领域的实验研究一直面临巨大的挑战。

为攻克上述挑战，研究团队提出并实现了一种基于“路径不可区分性”原理的高维多体纠缠态制备方法。该方案利用光子的路径自由度编码三维量子态，并通过偏振控制实现二维平面中不同路径间的高效交换操作，从而在保持高度相干性的同时显著提高了系统稳定性与操控精度。通过该方法，实验成功制备了三光子三维Greenberger–Horne–Zeilinger（GHZ）态，纠缠态保真度高达91%，创造了高维多光子纠缠态保真度的最高纪录，为非局域性检测提供了坚实的基础。

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图1 实验装置示意图及HOM干涉可见度实验结果

在此基础上，研究团队通过构建新型贝尔不等式检验范式，实验观测到超越量子比特系统理论极限的量子关联。该成果首次在实验层面证实了真实高维多体非局域性的存在，为设备无关型量子信息应用的未来发展奠定了重要基础。这项突破性成果不仅填补了国际高维多体量子非局域性实验研究领域的空白，更深化了人类对量子纠缠本质的认知，同时为构建可扩展、高容量、抗噪声的量子信息处理系统提供了关键技术支撑。作为新型量子资源，高维多体纠缠态在量子通信、量子计算与量子精密测量等前沿领域展现出广阔应用前景。