最近中国科技大学郭光灿院士团队的李传锋教授、许金时教授等人与南开大学陈景灵教授带领的理论团队合作，实验检测了一种在量子多体系统中，不借助不等式手段即可探测非定域性的新方法。该研究成果 “Experimental test of generalized Greenberger—Horne—Zeilinger-type paradoxes in and beyond graph states”于2021年4月28日在国际权威期刊《自然合作期刊 • 量子信息》 (npj Quantum Information) 在线发表。
量子非定域性反映了量子力学与经典物理对微观现象预言的不兼容性，是量子力学中一个重要的反直觉性质。为了探测非定域性，人们一般需要借助一种称为“贝尔不等式”的数学工具，对大量相同的量子态进行测试，再从统计规律中发现与经典预言的矛盾。1989年，Greenberger, Horne 和Zeilinger （GHZ）找到首个探测非定域性的无不等式方法，即著名的GHZ佯谬方法。由于受到量子非定域性的影响，量子力学中对易可观测量的期望值不满足乘积运算法则，从而导致GHZ佯谬 ”1=-1”。这种无不等式方法具有所需实验次数少、不依赖统计便可以确定性地观测到量子与经典预言的矛盾等优势。然而迄今为止，无不等式方法只适用于非常有限的一些量子态，并且人们对于该方法在探测非定域性之外的应用知之甚少。
我国学者在量子非定域性的无不等式研究方向已经取得了一系列成果，其中包括找到贝尔不等式向无不等式判据转化的方法、使用无不等式方法观测量子导引等。在本项工作中，研究团队首先对于一类名为图态的多体量子态，构造出了检测量子非定域性的无不等式方法。他们使用纠缠的光子产生图态，利用无不等式方法实验检测了量子非定域性，并且展示了一系列应用。他们的工作表明，这种方法不仅适用于观测贝尔非定域性，而且可以反映出量子多体系统中的真实多体纠缠、还可以在量子态验证等量子信息任务中发挥优势。研究团队进一步发现，相比于Greenberger等人发展的传统无不等式方法只能够在对纠缠纯态中发挥作用，他们的新成果同样适用于混合纠缠态，并且在这些混合态中还可以用来观测量子导引，从而一方的测量结果会改变其它方的状态，体现了量子力学在非定域性之外更广泛的非经典性质。该研究成果展示了无不等式方法在量子非定域性、量子态验证等方向广泛的应用潜力，同时为基于图态的光量子信息处理构建了有效的实验平台。
审稿人评价称：“该工作的成果详尽，广泛且结构合理。使用无不等式方法进行纠缠目击和量子态鉴别具有很强的应用潜力。”“该工作在一个具有基础意义和实际应用的领域，同时给出了新颖的理论和实验结果。”
该工作的共同第一作者为中科院量子信息重点实验室的博士研究生刘正昊和南开大学陈省身数学研究所的博士研究生周洁。本研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-021-00397-z
