中國科大郭光燦院士團隊在量子信息研究中取得重要進展，該團隊柳必恒研究員課題組與本源量子合作，在光學和超導兩個量子系統(tǒng)中實現真多體糾纏子空間的設備無關表征，完成了五比特糾錯碼碼空間的自檢驗。該工作5月14日發(fā)表在物理學國際期刊《物理進展報告》（Reports on Progress in Physics）上。

在量子信息領域，真多體糾纏態(tài)作為量子糾纏的最強形態(tài)，要求系統(tǒng)中任意兩個子系統(tǒng)間均存在糾纏關聯(lián)。由其構成的真糾纏子空間具有重要應用價值，特別是可以用于設計量子糾錯碼，通過將量子信息編碼在子空間中，避免因局部退相干導致的錯誤擴散。然而，與兩體糾纏態(tài)及真多體糾纏態(tài)的表征不同，真糾纏子空間的理論分析工具和實驗驗證方法仍處于空白狀態(tài)。雖然基于貝爾不等式的自檢驗方法已成功應用于量子糾纏態(tài)的設備無關認證，但將其拓展至多體糾纏子空間仍面臨重大挑戰(zhàn)。

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圖1.（a）邏輯子空間和（b）量子自檢驗示意圖

近期，理論同行構建了基于穩(wěn)定子碼框架的新型貝爾不等式，該方案可實現對糾纏子空間的普適性表征——子空間內任意量子態(tài)（包括混態(tài)）均能最大程度違背該不等式，從而為真糾纏子空間的自檢驗提供了理論依據。為驗證這一創(chuàng)新方法，研究團隊在光學系統(tǒng)和“本源悟空”超導量子計算機上同步開展實驗（概念圖見圖1），成功完成五比特量子糾錯碼碼空間的設備無關認證。通過制備系列邏輯量子態(tài)并進行貝爾測試，實驗數據顯示兩種系統(tǒng)的邏輯子空間保真度分別達到82%和62%以上（見圖2）。該過程僅依賴實驗觀測的數據而無需對實驗設備做可信假設。對比實驗中，研究團隊模擬了單個物理比特錯誤場景，發(fā)現邏輯態(tài)完全喪失對貝爾不等式的違背能力，證明其已脫離目標邏輯子空間。通過進一步檢驗錯誤子空間對應的貝爾不等式，成功實現對邏輯量子態(tài)空間演化的全程監(jiān)控。

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圖2.（a）邏輯量子態(tài)及（b）其在發(fā)生單比特錯誤時不同噪聲條件下的量子自檢驗

文章共同第一作者為量子信息實驗室特任副研究員郭鈺、博士生唐昊、張家璇。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省及中國科學技術大學的支持。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/add560