我校郭光燦院士團隊在量子網(wǎng)絡(luò)非局域性研究方面取得重要進展。該團隊李傳鋒、黃運鋒、張超等人與西班牙、瑞士等國的理論物理學(xué)家合作，首次實驗驗證了星形量子網(wǎng)絡(luò)中的全網(wǎng)絡(luò)非局域性。該成果4月14日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

貝爾非局域性一直是量子信息領(lǐng)域的研究熱點。近年來，人們開始探索更復(fù)雜的包含多個獨立源的量子網(wǎng)絡(luò)中的非局域性。由于包含多個獨立隱變量，量子網(wǎng)絡(luò)中可以產(chǎn)生區(qū)別于傳統(tǒng)貝爾非局域性的全新量子關(guān)聯(lián)。其中Bilocal模型是最簡單也是目前研究最多的量子網(wǎng)絡(luò)，即兩個獨立糾纏源分配糾纏對到三個觀測者，與糾纏交換的場景類似，中間節(jié)點接收到兩個粒子并做貝爾基測量從而使整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生非局域關(guān)聯(lián)。然而，此前定義的網(wǎng)絡(luò)非局域性無法刻畫整個網(wǎng)絡(luò)中所有源的非經(jīng)典性，多數(shù)情況下可以退化為標準貝爾不等式的違背，且中間節(jié)點不需要采用糾纏測量。因此，物理學(xué)家們提出全網(wǎng)絡(luò)非局域性（Full network nonlocality）的概念，它要求網(wǎng)絡(luò)中所有源都分發(fā)非經(jīng)典資源，能夠用來認證網(wǎng)絡(luò)中全連接的非經(jīng)典性質(zhì)。目前，全網(wǎng)絡(luò)非局域性只在最簡單的bilocal模型中進行了檢驗。

在本工作中，研究組分別在理論與實驗上實現(xiàn)突破，成功驗證了更復(fù)雜的星形網(wǎng)絡(luò)中的全網(wǎng)絡(luò)非局域性。理論上，研究組在僅使用獨立源（Independence）和無信號（No-signaling）原理而不要求網(wǎng)絡(luò)遵循量子力學(xué)原理的條件下，提出了新的全網(wǎng)絡(luò)非局域性判據(jù)。實驗上，研究組利用高品質(zhì)“三明治”型糾纏光源，搭建了具有三個外圍節(jié)點的星形網(wǎng)絡(luò)，并且在中心節(jié)點實現(xiàn)了高品質(zhì)的Greenberger–Horne–Zeilinger態(tài)投影測量（如圖所示）。實驗結(jié)果以超過10個標準偏差的水平違背了全網(wǎng)絡(luò)非局域性判據(jù)。這是全網(wǎng)絡(luò)非局域性在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的首次驗證，對大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，尤其在量子通信協(xié)議安全性保證方面具有重要意義。

圖1.星形量子網(wǎng)絡(luò)示意圖和實驗裝置圖

文章共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生王寧寧，西班牙數(shù)學(xué)科學(xué)研究所Alejandro Pozas-Kerstjens博士。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37842-w

（中科院量子信息重點實驗室、物理學(xué)院、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）