中国科大首次实验实现量子纠缠态自检验

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在量子信息领域研究中取得新进展，该团队李传锋、陈耕等人在测量设备不可信条件下实验获知了未知量子纠缠态保真度信息，首次在国际上实现了量子纠缠态的自检验。该研究成果于近日发表在国际期刊《物理评论快报》上。

量子纠缠是量子信息领域的重要资源。学术界通常采用量子态层析的办法来测定量子纠缠态，这种方法类似于医院中的CT扫描。通过量子态层析可以重构出纠缠态的形式，进而获得纠缠态的保真度等重要信息。然而量子态层析方法依赖于测量设备的准确性和可靠性，不能用于对安全性有要求的量子信息任务。为解决这一问题，科学家们提出了基于贝尔不等式违背的纠缠度量方法。对于两体两维纠缠态来说，贝尔不等式的最大违背可以达到2根号2。一个逆向思维理论就是，如果在贝尔不等式实验中观察到2根号2的违背，可以认为测试的量子态就是最大纠缠态的等价形式，这被称为纠缠态的自检验。更重要的是，贝尔不等式的检验无需精确知道双方测量设备的测量基，只需任意改变设置获得经典的关联概率。将这种理论用于实际纠缠态自检验的一个关键问题是，当观察到的贝尔不等式违背值小于2根号2时，观察者对未知态的纠缠特性可以做出什么样的描述。这种描述可以定量为相对于最大纠缠态的保真度的最低可能值，即以观察到的实际违背值为自变量的保真度下限。这个下限越优，可以给出的保真度越高，也就具有更好的鲁棒性。

科学界针对不同形式的量子纠缠态自检验，已经做了大量的理论工作，然而相关的实验工作一直是空白。李传锋、陈耕等人巧妙设计并实验实现了两比特和三比特量子纠缠态自检验实验，针对不同形式的量子纠缠态，在测量设备无关情形下获得了未知量子态的保真度信息，并和量子态层析的结果进行比对，证实了自检验结果的可靠性。这是国际上首个具有最优鲁棒性的纠缠态自检验实验，为把自检验推广应用于各种量子信息过程打下重要基础。

文章第一作者为博士研究生张文豪。该工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

图1：多种形式纠缠态产生和自检验实验装置

图2：两光子纠缠态的自检验实验结果