來源：北京量子院
近日，北京量子院助理研究員王鵬飛、張靜寧和兼聘教授金奇奐聯合清華大學、西班牙塞維利亞大學、南方科技大學等研究人員，首次在實驗上實現了量子互文性的無漏洞檢驗。這項題為“Significant loophole-free test of Kochen-Specker contextuality using two species of atomic ions”的研究於2022年2月9日發表在《Science Advances》。
量子互文性是量子體系和經典體系之間的本質區別。在我們熟悉的經典世界中，當我們以不同的順序或在不同的時間點測量同一個體系的同一個觀測量時，輸出的結果總是相同。因此我們自然地認為這些被測量的觀測值是早就存在的，並且在測量之後仍然存在。然而這個假設在量子力學中並不成立。量子系統中的一對測量也可以產生互不干擾的測量結果並且在重複測量時產生相同的結果，但即使在這種情況下，它們測量結果的相關性也不能用預先存在內在值的假設來解釋。這一現象由Kochen、Specker和Bell在1960年提出，由此產生了量子力學中量子互文性的Bell-Kochen-Specker定理。這個性質如今被證明是量子計算機效能超越經典計算機的內在原因。
但是，如何在關閉所有“漏洞”的情況下，在實驗上測試量子互文性一直是一個極具挑戰的問題。量子互文性測試和Bell測試很類似，但是並不需要類空間隔這一條件。最近，一些Bell測試實驗已經在沒有重大漏洞的情況下得到了證明。然而，包括量子計算機在內的許多量子系統很難大到足以容納處於類空間隔關係的子部件。在此情況下，我們如何知道系統是在量子狀態下執行的並受量子力學原理的控制呢?量子互文性測試可以提供一個解決方案。在光子、中子、離子、分子核自旋、超導系統的體系中，人們已經觀察到了量子互文性不等式的違背，但它們都無法關閉所有的漏洞。
圖1 混合離子阱實驗系統示意圖
金奇奐教授研究團隊提出了一種利用複合系統進行無漏洞量子互文性測試的實驗方法。實驗中使用兩種不同離子進行實驗來保證他們彼此互不干擾，並透過對兩種離子分別進行重複測量來保證理想觀測條件，且實驗中沒有漏掉任何測量結果。最後的實驗結果實現了量子互文性不等式15個標準差的違背。詳細來說，量子互文性的實驗驗證主要涉及兩個漏洞，探測性漏洞和理想（ideal）觀測漏洞，其中理想觀測漏洞又可以分為鋒利性（sharpness）漏洞和相容性漏洞。該研究採用的混合離子系統用熒光探測技術探測量子位元狀態，實現了100%的探測效率和高達98%的探測保真度。由此關閉了探測性漏洞和鋒利性漏洞。混合離子系統包含囚禁在保羅阱中的一個Ba離子和一個Yb離子。量子互文性不等式的每對觀測量分別對應於一對不同的離子。而且兩個離子具有完全不同的操作鐳射、探測鐳射以及探測裝置，保證了相容性漏洞的關閉。測試量子互文性需要的初始糾纏態是透過Mølmer-Sørensen（M-S）量子門製備的。實驗結果清楚地顯示了量子互文性不等式的違背。
圖2 實驗中用到的M-S量子操作門資料圖
該研究結果除了對於基礎研究意義重大外，還可以廣泛地應用在量子資訊的其他領域。比如很多量子體系因為尺寸不能實現類空間隔而無法進行Bell測試。該研究設計的方案沒有類空間隔的要求，可以用於量子系統的真偽驗證。比如用來檢測 “量子計算機”是否是真正的量子計算機。此外還可以用作自驗證的量子隨機數發生器、盲量子計算等。
論文通訊作者為我院兼聘教授金奇奐和西班牙塞維利亞大學教授Adán Cabello。共同第一作者是我院的助理研究員王鵬飛和南方科大的助理研究員張君華。我院超導量子計算團隊的助理研究員張靜寧為該工作提供了理論支援。該工作受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金“第二代量子體系的構築與操控”重大研究計劃和國家自然科學基金委的支援。
論文連結：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abk1660?af=R
