據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞網(wǎng)10月9日消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、黃運(yùn)鋒等人與西班牙理論物理學(xué)家合作，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于局域操作和共享隨機(jī)性（LOSR, Local operation and shared randomness）理論框架下的真多體非局域性，結(jié)果表明用兩體或三體非局域關(guān)聯(lián)無(wú)法解釋自然界產(chǎn)生的所有關(guān)聯(lián)。該成果10月4日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被選為該期的封面文章。

量子力學(xué)允許粒子之間存在非局域的關(guān)聯(lián)，即量子非局域性。量子非局域性是實(shí)現(xiàn)各種量子信息過(guò)程的重要資源。對(duì)于多體系統(tǒng)，真多體非局域性被認(rèn)為是多體系統(tǒng)中能展現(xiàn)的最強(qiáng)的非局域關(guān)聯(lián)。真多體非局域性檢驗(yàn)通常依賴于局域操作和經(jīng)典通信（LOCC, Local operation and classical communication）框架下的不等式的違背。然而在多體非局域性的檢驗(yàn)中，我們通常需要假定不同觀測(cè)者間聯(lián)合測(cè)量的概率分布服從無(wú)信號(hào)條件（non-signaling condition），經(jīng)典通信是禁止的，因此基于LOCC的真多體非局域性并不是良好的定義。

在量子資源理論中，LOCC并不是唯一可以用來(lái)定義糾纏資源的免費(fèi)操作，在去除經(jīng)典通信后，一個(gè)更為自然的定義是基于LOSR的理論框架。在實(shí)驗(yàn)中，研究組先驗(yàn)證了三體糾纏結(jié)構(gòu)的非局域性。該三體系統(tǒng)的LOSR局域模型允許三體之間具有共享隨機(jī)性，并允許對(duì)任意兩體之間的關(guān)聯(lián)不設(shè)限，即允許其關(guān)聯(lián)可以是量子關(guān)聯(lián)，也可以具有更為廣泛的不依賴量子力學(xué)描述的廣義概率理論（Generalized probabilistic theory）所允許的關(guān)聯(lián)。研究組聯(lián)合Marc-Olivier Renou等人對(duì)此前相關(guān)理論工作中提出的LOSR非局域性不等式進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)多光子實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的白噪聲提出了魯棒性更強(qiáng)的不等式，并在實(shí)驗(yàn)中利用自主研制的“三明治型”高保真度多光子糾纏源[PRL115, 260402 (2015)]以26.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的違背驗(yàn)證了真三體LOSR非局域性。研究組進(jìn)一步在四體情形實(shí)驗(yàn)違背了真四體LOSR不等式，實(shí)驗(yàn)排除了基于共享隨機(jī)性和三體廣義關(guān)聯(lián)的局域性模型，展示了真四體非局域性。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明僅兩體或三體非局域關(guān)聯(lián)無(wú)法解釋自然界產(chǎn)生的所有關(guān)聯(lián)。該工作中提出的不等式可以拓展到任意N體情形，而制備高保真度糾纏源的方法為實(shí)驗(yàn)展示更大量子系統(tǒng)非局域性打下基礎(chǔ)。

文章共同第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生曹洹，副研究員張超以及西班牙光子科學(xué)研究所的Marc-OlivierRenou。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省的資助。

圖1：（a）LOSR局域模型；（b）白噪聲魯棒的新LOSR不等式。

圖2：本期PRL封面