近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子資訊基礎研究中取得重要進展，首次通過實驗驗證多體系統中量子态可被同時導引的特性，這一成果在多使用者量子通信、量子網絡的搭建、多體糾纏檢測中都具有重要的應用前景。
量子導引描述了一個粒子通過局域測量影響另一個粒子量子态的能力。作為一種量子非局域現象，量子導引擁有獨特的非對稱性質，能進一步實作單向量子導引，即一方可以導引另一方，反過來卻不行。在多體量子導引的研究中，單配性關系會限制量子導引在個體之間的分享能力，使得一方不能同時被其他參與方導引。
但理論研究表明，在增加測量方向的情況下，多體量子導引會出現違背單配性的現象，展示出多體之間豐富的導引共享關系結構。為了實驗驗證這種非單配性共享關系，就需要對多體量子系統進行任意測量，這就要求制備具有高保真度的多體糾纏量子比特系統。
此次，郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、孫凱等人對多體量子導引的關系結構進行了實驗研究，首次觀測到多體量子導引的非單配性共享關系，即其中一方的量子态可以被另外兩方同時導引。相關研究成果近日發表在《實體評論快報》(Physical Review Letters)。
圖檔來自《實體評論快報》(Physical Review Letters)
近年來，李傳鋒、許金時、孫凱等人基于光學平台，系統地開展了量子導引的實驗研究，包括全對無(all-versus-nothing)量子導引的驗證、單向量子導引的實作等。在本次研究中，團隊進一步利用光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，建構了三量子比特系統，制備了一系列的三體糾纏态，平均保真度達到96%。研究人員通過拓展量子導引的不确定關系判據，研究了多體量子導引的非單配性共享關系。
中科大團隊的實驗結果表明，在三體量子系統中，一方的量子态可以被另外兩方同時導引，這種現象違背了傳統的單配性關系，證明了多體量子導引的共享性質。此外，團隊通過對處于W态（一類多體糾纏态）的三體系統進行充分地分析，展示了不同的量子導引架構，并利用所證明的多體量子導引非單配性的共享關系，進一步實作了三體真糾纏的實驗驗證。與正常方法相對比，這種檢測方法所需要的測量資源更少，展現了其高效性。
三體系統中的量子導引結構（不帶叉箭頭表示一方可以導引另一方，帶叉箭頭表示一方不可以導引另一方）a為量子導引的單配性關系結構，任何一方不能被另外兩方同時導引；b為違背單配性的共享關系結構，某一方可以被另外兩方同時導引，圖檔來自中國科學技術大學
此次研究成果展示了量子導引在多體系統中豐富的關系結構，加深了對量子導引實體概念的了解，對量子資訊基礎研究具有重要意義。同時該工作為基于量子導引單配性的資訊協定提供了全面的分析視角，在多使用者量子通信、量子網絡的搭建、多體糾纏檢測中具有重要的應用前景。
中科院量子資訊重點實驗室博士研究所學生郝澤琰為該工作第一作者。此次研究獲得科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支援。