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2022年11月09日
中国科大实现设备无关的真多体纠缠检验

我校郭光灿院士团队首次实验实现了设备无关的真多体纠缠检验。该团队李传锋、黄运锋、陈耕等人与瑞士学者合作,构造了一种新的真多体纠缠态检验方法,可以在不对测量设备做任何假设的前提下检验多体系统的真纠缠性质。这是国际上首个可以检验任意多体系统真纠缠性质的实验工作,该成果10月31日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

如果把多体系统任意分成两部分,这两部分之间都存在纠缠,则多体系统的这种性质就是真多体纠缠。真多体纠缠是量子纠缠的最强存在形式,是实现量子信息过程的重要资源。检验多体系统的真纠缠性质,通常需要预先知道系统的维度,并保证测量设备可精确实现各种测量。然而,真实物理系统有可能存在难以获知的自由度,并且实际测量设备的误差也会造成误判。要解决这些困难,原则上可以采用设备无关的测量,在不对系统做任何假设的前提下,只分析测量结果对Bell不等式的违背,就可以对系统的纠缠性质做出检验。但受限于构造多体Bell不等式的困难,对任意真多体纠缠系统进行设备无关的检验,仍然是一个亟待解决的难题。

研究组通过解析多体系统的内部结构,分别划定最小的连通集合和完全的连通集合,进而把两体Bell不等式应用于多体纠缠系统的检验。这种方法仅使用常规的CHSH型两体Bell不等式即可实现对任意规模和任意形式的真多体纠缠的检验,并可度量多体纠缠中真多体纠缠的权重。研究组利用四光子进行实验研究,实验结果表明完全的连通集合对于噪声有很好的抵抗能力,而最小的连通集合在具有对噪声的鲁棒性同时还可以达到更高的效率,即测量装置的数目不会随系统规模指数增长。实验对多种重要形式的多体纠缠态进行了检验,两种连通集合的测量结果都可以证明真多体纠缠的存在,并估计其中真多体纠缠的权重。

更重要的是,研究组在实验上对一种极弱的纠缠态进行了检验,这种纠缠态被证明无法违背标准的多体Bell不等式,所以在此之前难以通过设备无关的方法判定其真纠缠特性。而在研究组采用新的结构解析方法的实验中,这种弱纠缠态超越了局域判据,被证实存在真多体纠缠。

文章共同第一作者为中科院量子信息重点实验室副研究员张超和博士后张文豪。该工作得到了国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。

图:(a)四体纠缠的结构解析。黑点代表粒子,连线代表纠缠。四体纠缠可以分解成四体真纠缠、两个两体纠缠等;(b)最小的连通集合;(c)完全的连通集合。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.190503


(中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、物理学院、科研部)

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