實驗製備高維多光子糾纏態保真度達91%

科技日報合肥6月3日電 （記者吳長鋒）記者3日從中國科學技術大學獲悉，中國科學院院士郭光燦團隊的柳必恆研究組與其他學者合作，在實驗上實現了高保真度高維多光子糾纏態製備，並首次觀測到真實高維多體非局域性的存在。相關研究成果日前發表在《自然·通訊》上。

量子非局域性是量子力學最深刻的現象之一，揭示了量子物理與經典物理本質上的區別，同時也為量子信息的安全提供了保障。長期以來，非局域性的實驗研究主要集中在兩個粒子和二維繫統之間。而真實世界中的許多量子過程涉及多個粒子和更高維度，這意味着高維多體系統不僅是基本科學問題的重要延伸，也為提升量子系統的信息處理能力、抗干擾能力和通信容量提供了可能。然而，由於高維度與多體系統帶來的複雜度急劇增加，這一領域的實驗研究一直面臨巨大的挑戰。

為攻克上述挑戰，研究團隊提出並實現了一種基於“路徑不可區分性”原理的高維多體糾纏態製備方法。該方案利用光子的路徑自由度編碼三維量子態，並通過偏振控制實現二維平面中不同路徑間的高效交換操作，從而在保持高度相干性的同時顯著提高了系統穩定性與操控精度。通過該方法，實驗成功製備了一種名叫Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）的三光子三維多量子比特糾纏狀態，其保真度高達91%，創造了高維多光子糾纏態保真度的最高紀錄，為非局域性檢測提供了堅實的基礎。

在此基礎上，研究團隊通過構建新型貝爾不等式檢驗範式，實驗觀測到超越量子比特系統理論極限的量子關聯。該成果首次在實驗層面證實了真實高維多體非局域性的存在，為設備無關型量子信息應用的未來發展奠定了重要基礎。

研究人員表示，這項突破性成果不僅填補了國際高維多體量子非局域性實驗研究領域的空白，更深化了人類對量子糾纏本質的認知，同時為構建可擴展、高容量、抗噪聲的量子信息處理系統提供了關鍵技術支撐。高維多體糾纏態將在量子通信、量子計算與量子精密測量等前沿領域展現出廣闊應用前景。