中國科學技術大學首次實驗驗證六光子GHZ非局域性

　　中科大郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在多光子非局域性研究中取得重要進展。該實驗室李傳鋒、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(tǒng)計特性引起了人們極大的興趣。GHZ悖論是構造一系列測量，量子力學和局域隱變量理論對測量結果會做出完全相反的預言，由此就可在實驗上一次性判定量子力學和隱變量理論孰是孰非，而不需要像Bell不等式和Mermin不等式那樣通過大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算進行判斷。然而要進行“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

　　審稿人評價本項工作為多光子實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、量子計算和量子物理基本問題的研究都將帶來極大的促進作用。

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