中國科大等首次驗(yàn)證星形網(wǎng)絡(luò)的量子非局域性

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊(duì)在量子網(wǎng)絡(luò)非局域性研究方面取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、黃運(yùn)鋒、張超等人與西班牙、瑞士等國的理論物理學(xué)家合作，首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了星形量子網(wǎng)絡(luò)中的全網(wǎng)絡(luò)非局域性。該成果2023年4月14日發(fā)表在國際期刊《自然-通訊》上。

貝爾非局域性一直是量子信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，人們開始探索更復(fù)雜的包含多個(gè)獨(dú)立源的量子網(wǎng)絡(luò)中的非局域性。由于包含多個(gè)獨(dú)立隱變量，量子網(wǎng)絡(luò)中可以產(chǎn)生區(qū)別于傳統(tǒng)貝爾非局域性的全新量子關(guān)聯(lián)。其中Bilocal模型是最簡單也是目前研究最多的量子網(wǎng)絡(luò)，即兩個(gè)獨(dú)立糾纏源分配糾纏對(duì)到三個(gè)觀測者，與糾纏交換的場景類似，中間節(jié)點(diǎn)接收到兩個(gè)粒子并做貝爾基測量從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生非局域關(guān)聯(lián)。然而，此前定義的網(wǎng)絡(luò)非局域性無法刻畫整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有源的非經(jīng)典性，多數(shù)情況下可以退化為標(biāo)準(zhǔn)貝爾不等式的違背，且中間節(jié)點(diǎn)不需要采用糾纏測量。因此，物理學(xué)家們提出全網(wǎng)絡(luò)非局域性（Full network nonlocality）的概念，它要求網(wǎng)絡(luò)中所有源都分發(fā)非經(jīng)典資源，能夠用來認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)中全連接的非經(jīng)典性質(zhì)。目前，全網(wǎng)絡(luò)非局域性只在最簡單的bilocal模型中進(jìn)行了檢驗(yàn)。

研究組分別在理論與實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)突破，成功驗(yàn)證了更復(fù)雜的星形網(wǎng)絡(luò)中的全網(wǎng)絡(luò)非局域性。理論方面，研究組在僅使用獨(dú)立源（Independence）和無信號(hào)（No-signaling）原理而不要求網(wǎng)絡(luò)遵循量子力學(xué)原理的條件下，提出了新的全網(wǎng)絡(luò)非局域性判據(jù)。實(shí)驗(yàn)方面，研究組利用高品質(zhì)“三明治”型糾纏光源， 搭建了具有三個(gè)外圍節(jié)點(diǎn)的星形網(wǎng)絡(luò)，并且在中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的Greenberger-Horne-Zeilinger態(tài)投影測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以超過10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的水平違背了全網(wǎng)絡(luò)非局域性判據(jù)。這是全網(wǎng)絡(luò)非局域性在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的首次驗(yàn)證，對(duì)大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，尤其在量子通信協(xié)議安全性保證方面具有重要意義。

該工作得到國家自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省的資助。

（來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）