中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在真多體非經(jīng)典量子測(cè)量研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)項(xiàng)國(guó)勇、侯志博研究組和復(fù)旦大學(xué)朱黃俊研究組首次在理論上將真多體非經(jīng)典性從量子態(tài)擴(kuò)展到量子測(cè)量，并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于二維光量子行走的真三體非經(jīng)典測(cè)量，用于三拷貝量子態(tài)估計(jì)任務(wù)中；實(shí)驗(yàn)保真度超越最優(yōu)二可分測(cè)量11個(gè)標(biāo)偏。相關(guān)研究成果于5月28日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

非經(jīng)典關(guān)聯(lián)是量子世界區(qū)別于經(jīng)典世界的核心特征，是量子力學(xué)的核心基礎(chǔ)問(wèn)題，也是很多量子信息處理任務(wù)的關(guān)鍵資源。實(shí)現(xiàn)非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的傳統(tǒng)方式是對(duì)糾纏量子態(tài)做局域測(cè)量。在多體情形下，非經(jīng)典關(guān)聯(lián)具有多種形式。其中真多體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)不能分解為部分子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，是多體量子系統(tǒng)中最強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，因而備受關(guān)注。真多體糾纏量子態(tài)能夠展現(xiàn)出真多體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)，并在量子非局域性檢驗(yàn)、量子網(wǎng)絡(luò)、量子密碼和量子精密測(cè)量中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

除了量子態(tài)，非經(jīng)典關(guān)聯(lián)也可以存在于量子測(cè)量中。量子集體測(cè)量相比可分測(cè)量具有更強(qiáng)的信息提取能力，即使被測(cè)量子體系子系統(tǒng)之間不存在任何關(guān)聯(lián)。這種超越可分測(cè)量的信息提取能力只能來(lái)源于量子測(cè)量中的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)。目前國(guó)際上已經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了兩拷貝集體測(cè)量，驗(yàn)證了兩體非經(jīng)典測(cè)量可以展現(xiàn)比可分測(cè)量更強(qiáng)的信息提取能力。但是相比于量子態(tài)中的真多體關(guān)聯(lián)，如何判斷一個(gè)測(cè)量是否具備真三體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)尚不清楚，之前實(shí)驗(yàn)上也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)超越兩拷貝集體測(cè)量信息提取能力的多拷貝集體測(cè)量。

項(xiàng)國(guó)勇課題組在實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)發(fā)展了兩拷貝集體測(cè)量技術(shù)[Nat.Commun.9,1（2018);Sci.Adv.5,2375（2019);PRL 124,060502（2020);PRL 125,210401（2020);PRapplied 20,044032（2023)]，和自適應(yīng)兩拷貝集體測(cè)量技術(shù)[PRL 132,110801（2024)]。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用九步二維光量子行走，通過(guò)精心設(shè)計(jì)30個(gè)控制算符，最終實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)真三拷貝集體測(cè)量，并將其用于量子態(tài)估計(jì)任務(wù)中，實(shí)驗(yàn)獲得的保真度比所有二可分集體測(cè)量最高保真度高11個(gè)標(biāo)偏。這種前所未有的信息提取能力表明研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了真三體量子測(cè)量。

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圖：左上，真三體非經(jīng)典量子態(tài)到真三體非經(jīng)典量子測(cè)量。右上，真三體量子測(cè)量保真度超越所有二可分測(cè)量最高保真度。下圖，基于二維光量子行走的真三體集體測(cè)量實(shí)驗(yàn)光路圖。

該工作首先建立了真三體非經(jīng)典量子測(cè)量理論，并發(fā)展了基于信息提取能力判斷真三體非經(jīng)典量子測(cè)量的方法。然后將兩拷貝集體測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展形成真三拷貝集體測(cè)量技術(shù)，并通過(guò)量子態(tài)估計(jì)任務(wù)驗(yàn)證了超越所有二可分量子測(cè)量的信息提取能力。該工作首次展現(xiàn)了量子測(cè)量中的真多體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)，增進(jìn)了人們對(duì)真多體非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的認(rèn)識(shí)，并為進(jìn)一步探索真多體量子測(cè)量的應(yīng)用和潛力奠定了基礎(chǔ)。

中國(guó)科大少年班學(xué)院本科生周楷（已畢業(yè)）為論文第一作者，復(fù)旦大學(xué)博士后易昌浩為第二作者，我校項(xiàng)國(guó)勇教授、侯志博教授和復(fù)旦朱黃俊研究員為通訊作者。該項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省、中國(guó)科學(xué)院和教育部的支持。

論文鏈接： https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.210201