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中澳科学家首次实现测量设备无关的高维量子导

2019-11-03 10:35

关于中国科学技术大学

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。

量子导引是介于量子纠缠和贝尔非局域性之间的一类量子非局域特性,描述了作用在纠缠粒子对中一个粒子上的局域测量能够非局域地影响另一个粒子的状态的能力。量子导引在量子密钥分发、量子信道鉴别、随机数产生等量子信息任务中具有重要应用。由于实验设备性能有限或者存在被敌对者操控的可能性,这会给量子导引实验带来漏洞。以观测纠缠光子对的量子导引为例,由于单光子探测器的效率有限,未被探测到的光子原则上可以被潜在的敌对者利用,这就使得量子导引实验结果变得不可靠。为了解决这一问题,理论物理学家们设计出一类量子仲裁的量子导引鉴定方法,通过引入第三方的仲裁,使得量子导引实验检验变得和测量设备无关。

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。

4166.com,文章第一作者为中科院量子信息重点实验室博士研究生郭钰。该研究得到科技部、国家基金委、中科院、安徽省的支持。

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。

中国科学技术大学是中国科学院所属的一所以前沿科学和高新技术为主,兼有医学、特色管理和人文学科的综合性全国重点大学。1958年9月创建于北京,首任校长由郭沫若兼任。她的创办被称为“我国教育史和科学史上的一项重大事件”。

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受此启发,李传锋、柳必恒等人巧妙地构造出测量设备无关的高维量子导引目击算符,首次实验实现了测量设备无关的高维量子导引。研究组利用参量下转换过程在偏振和路径自由度上制备出一系列高保真度三维纠缠态。然后仲裁者向纠缠双方发出一系列测试要求,收集双方数据检验高维量子导引不等式,测试结果最高达到1.983,远超过三维情形的经典理论极限1.57,证实这些纠缠态具有量子导引特性。作为应用,研究组进一步将实验观测到的数据运用于随机数产生,每纠缠光子对可得到1.106比特私密量子随机数,超出了利用两维纠缠态所能达到的理论极限,充分展示了高维纠缠在量子信息过程中的优势。

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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