中国科大等首次实验证实量子力学中强于二值关联的存在

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组在量子力学基本问题研究中取得新进展，该实验室李传锋、柳必恒等人与西班牙、匈牙利和德国的理论物理学家合作，首次实验证实了量子力学中强于二值关联的存在。该成果于5月4日发表在《物理评论快报》上，并入选“编辑推荐文章”。

20世纪著名物理学家约翰·惠勒曾经提出一个令人深思的论断“万物源于比特（It from bit）”。这种观点认为信息是非常基本的，宇宙万物（包括任何粒子和场，甚至时空）都起源于信息的基本单元——比特。量子信息兴起以后，这一论断升华为“万物源于量子比特（It from qubit）”。以信息为基础重新构建量子理论是当前重要研究方向。该实验触及了其中至关重要的一个问题，即只考虑比特或量子比特（即二值理论）来构建量子理论就够用了吗？

我们来看测量问题。量子测量是量子力学中的基本问题之一。在经典理论中，复杂的多值问题测量可以拆解成二值测量来完成。例如，对一个三值问题（设输出结果分别为1，2，3），可以通过两步二值测量完成：第一步判定测量结果是不是1，如果不是，则进行下一步二值（2，3）测量来确定测量结果是2还是3。然而对于量子系统的测量，事情却没有这么简单。该实验的理论合作者利用三维量子纠缠态基于二值理论构造出一个特殊的不等式。如果实验中这个不等式被违背了，则意味着量子力学中强于二值关联的存在，或者说对多值问题的测量是不能通过拆解成二值测量来实现的。这就如同对贝尔不等式的违背会意味着局域实在论的观点是错误的一样。然而要在实验上检验这个不等式却是非常困难的，因为需要极高品质的高维纠缠源。

早在2016年，李传锋、柳必恒等人即自主研制出高品质的三维纠缠源[PRL 117, 170403 (2016)]。为了检验这个基于二值理论的不等式，他们简化光源的设计，进一步提高了光源的性能。实验上，他们把处于三维纠缠的两个光子分发到两个相距8米的实验室中，完全随机地选择测量基进行测量。实验观测到对二值理论预言的明显违背，违背量超过了9个标准差，从而首次实验证实量子力学中强于二值关联的存在。

研究组公开了该实验的完整原始数据，以供国际同行进行更深入的数据分析。该实验将促进对量子力学理论基础的进一步研究。

审稿人对该工作给予了高度评价：“这触及到了一个对量子力学基础至关重要的问题：如果我们想把信息作为基础来构建量子理论，那么只考虑‘比特’就够了吗？”“我推荐发表本论文，原因有二：a）确保广大读者意识到这一重要见解，因为它可以指导对量子力学理论基础的进一步研究。b）该实验完成得极其出色。”“此外，本实验的数据可以公开获取进行分析，特别是在基础性实验中，这真的是了不起的典范做法。”

论文的第一作者为中科院量子信息重点实验室博士生胡晓敏。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的支持。

实验证实量子力学中强于二值关联的存在的装置图