近日，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)柳必恒研究組聯(lián)合電子科技大學(xué)、奧地利科學(xué)院等合作單位，在量子糾纏檢測(cè)方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，結(jié)合經(jīng)典通信策略，實(shí)現(xiàn)了高效、低成本的量子糾纏驗(yàn)證。成果以“Practical advantage of classical communication in entanglement detection”為題，9月25日在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》，并被選為編輯推薦文章在期刊官網(wǎng)首頁(yè)亮點(diǎn)展示。

量子糾纏是量子信息科學(xué)中的核心資源，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)糾纏檢測(cè)方法需通過(guò)量子態(tài)層析進(jìn)行全狀態(tài)重構(gòu)，隨著系統(tǒng)維度增加，所需資源呈指數(shù)增長(zhǎng)，難以應(yīng)用于實(shí)際的高維或多體系統(tǒng)。為突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)提出將經(jīng)典通信引入糾纏檢測(cè)過(guò)程，即在允許Alice和Bob之間進(jìn)行單向經(jīng)典通信的框架（1-LOCC）下進(jìn)行測(cè)量。盡管該框架在理論上具有統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)難度大，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和反饋速度要求極高。為此，團(tuán)隊(duì)引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法，利用變分生成優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)（VGON）自動(dòng)篩選出“最值得實(shí)施1-LOCC的量子態(tài)”并生成最優(yōu)檢測(cè)策略，將策略生成時(shí)間從傳統(tǒng)方法所需的兩個(gè)月大幅縮短至兩小時(shí)，為實(shí)驗(yàn)提供了精確的“檢測(cè)藍(lán)圖”。

在實(shí)驗(yàn)方面，研究團(tuán)隊(duì)搭建了基于三維糾纏光子的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1）。Alice的測(cè)量結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道實(shí)時(shí)傳輸至Bob端，由FPGA控制的電光調(diào)制器（EOM）實(shí)現(xiàn)測(cè)量基的快速切換。為補(bǔ)償信號(hào)傳輸與設(shè)備響應(yīng)的時(shí)間延遲，Bob端引入50米長(zhǎng)光纖作為“光量子存儲(chǔ)”，從而在單光子水平上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)將無(wú)通信的局域操作（LO）與1-LOCC兩種策略交叉進(jìn)行，確保實(shí)驗(yàn)條件一致，使結(jié)果差異僅源于是否引入經(jīng)典通信。

圖片:1160C2A7A546EB72DA0F5887901_1AF817CA_E55B4.png

圖1.實(shí)驗(yàn)裝置圖，包含三維糾纏光源、FPGA-EOM 快速切換與50m光纖短時(shí)延存儲(chǔ)等關(guān)鍵部件。

在百萬(wàn)量級(jí)的事件統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，1-LOCC協(xié)議顯著降低了糾纏檢測(cè)的假陰性概率。即使以對(duì)LO協(xié)議最有利的“樂(lè)觀估計(jì)”作為對(duì)比基準(zhǔn)，1-LOCC仍表現(xiàn)出明顯的錯(cuò)誤率優(yōu)勢(shì)，表明其在真實(shí)噪聲環(huán)境下具備更優(yōu)的檢測(cè)可靠性。

該研究首次在實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)驗(yàn)證了經(jīng)典通信在量子糾纏檢測(cè)中的實(shí)際優(yōu)勢(shì)，形成了“理論建模—機(jī)器學(xué)習(xí)生成協(xié)議—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的完整研究閉環(huán)。該成果不僅為量子網(wǎng)絡(luò)中的在線控制提供可行方案，也為AI驅(qū)動(dòng)的智能化量子實(shí)驗(yàn)奠定方法基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士邢文博、博士生呂敏玉，以及電子科技大學(xué)博士生張凌霞為論文共同第一作者，中國(guó)科大胡曉敏特任教授、柳必恒研究員、奧地利科學(xué)院Miguel Navascués教授和電子科技大學(xué)王子竹教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、安徽省科技創(chuàng)新攻堅(jiān)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/hlcv-qcnw