近日，中國科大郭光燦院士團隊柳必恒研究組聯(lián)合電子科技大學、奧地利科學院等合作單位，在量子糾纏檢測方面取得重要進展。研究團隊利用機器學習方法，結(jié)合經(jīng)典通信策略，實現(xiàn)了高效、低成本的量子糾纏驗證。成果以“Practical advantage of classical communication in entanglement detection”為題，9月25日在線發(fā)表于《物理評論快報》，并被選為編輯推薦文章在期刊官網(wǎng)首頁亮點展示。

量子糾纏是量子信息科學中的核心資源，是實現(xiàn)量子計算、量子通信與量子網(wǎng)絡等技術(shù)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)糾纏檢測方法需通過量子態(tài)層析進行全狀態(tài)重構(gòu)，隨著系統(tǒng)維度增加，所需資源呈指數(shù)增長，難以應用于實際的高維或多體系統(tǒng)。為突破這一瓶頸，研究團隊提出將經(jīng)典通信引入糾纏檢測過程，即在允許Alice和Bob之間進行單向經(jīng)典通信的框架（1-LOCC）下進行測量。盡管該框架在理論上具有統(tǒng)計優(yōu)勢，但實驗實現(xiàn)難度大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性和反饋速度要求極高。為此，團隊引入機器學習方法，利用變分生成優(yōu)化網(wǎng)絡（VGON）自動篩選出“最值得實施1-LOCC的量子態(tài)”并生成最優(yōu)檢測策略，將策略生成時間從傳統(tǒng)方法所需的兩個月大幅縮短至兩小時，為實驗提供了精確的“檢測藍圖”。

在實驗方面，研究團隊搭建了基于三維糾纏光子的實驗平臺（圖1）。Alice的測量結(jié)果通過經(jīng)典信道實時傳輸至Bob端，由FPGA控制的電光調(diào)制器（EOM）實現(xiàn)測量基的快速切換。為補償信號傳輸與設備響應的時間延遲，Bob端引入50米長光纖作為“光量子存儲”，從而在單光子水平上實現(xiàn)自適應測量。實驗將無通信的局域操作（LO）與1-LOCC兩種策略交叉進行，確保實驗條件一致，使結(jié)果差異僅源于是否引入經(jīng)典通信。

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圖1.實驗裝置圖，包含三維糾纏光源、FPGA-EOM 快速切換與50m光纖短時延存儲等關(guān)鍵部件。

在百萬量級的事件統(tǒng)計基礎上，研究團隊發(fā)現(xiàn)，1-LOCC協(xié)議顯著降低了糾纏檢測的假陰性概率。即使以對LO協(xié)議最有利的“樂觀估計”作為對比基準，1-LOCC仍表現(xiàn)出明顯的錯誤率優(yōu)勢，表明其在真實噪聲環(huán)境下具備更優(yōu)的檢測可靠性。

該研究首次在實驗中系統(tǒng)驗證了經(jīng)典通信在量子糾纏檢測中的實際優(yōu)勢，形成了“理論建模—機器學習生成協(xié)議—實驗驗證”的完整研究閉環(huán)。該成果不僅為量子網(wǎng)絡中的在線控制提供可行方案，也為AI驅(qū)動的智能化量子實驗奠定方法基礎。

中國科學技術(shù)大學博士邢文博、博士生呂敏玉，以及電子科技大學博士生張凌霞為論文共同第一作者，中國科大胡曉敏特任教授、柳必恒研究員、奧地利科學院Miguel Navascués教授和電子科技大學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與技術(shù)創(chuàng)新計劃、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、安徽省科技創(chuàng)新攻堅計劃和中國科學技術(shù)大學等的支持。

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