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我校郭光燦院士團隊在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究方面取得重要進展。該團隊李傳鋒、黃運鋒等人與西班牙理論物理學(xué)家合作，實驗驗證了基于局域操作和共享隨機性（LOSR, Local operation and shared randomness）理論框架下的真多體非局域性，結(jié)果表明用兩體或三體非局域關(guān)聯(lián)無法解釋自然界產(chǎn)生的所有關(guān)聯(lián)。該成果10月4日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上，并被選為該期的封面文章。

量子力學(xué)允許粒子之間存在非局域的關(guān)聯(lián)，即量子非局域性。量子非局域性是實現(xiàn)各種量子信息過程的重要資源。對于多體系統(tǒng)，真多體非局域性被認為是多體系統(tǒng)中能展現(xiàn)的最強的非局域關(guān)聯(lián)。真多體非局域性檢驗通常依賴于局域操作和經(jīng)典通信（LOCC, Local operation and classical communication）框架下的不等式的違背。然而在多體非局域性的檢驗中，我們通常需要假定不同觀測者間聯(lián)合測量的概率分布服從無信號條件（non-signaling condition），經(jīng)典通信是禁止的，因此基于LOCC的真多體非局域性并不是良好的定義。

在量子資源理論中，LOCC并不是唯一可以用來定義糾纏資源的免費操作，在去除經(jīng)典通信后，一個更為自然的定義是基于LOSR的理論框架。在實驗中，研究組先驗證了三體糾纏結(jié)構(gòu)的非局域性。該三體系統(tǒng)的LOSR局域模型允許三體之間具有共享隨機性，并允許對任意兩體之間的關(guān)聯(lián)不設(shè)限，即允許其關(guān)聯(lián)可以是量子關(guān)聯(lián)，也可以具有更為廣泛的不依賴量子力學(xué)描述的廣義概率理論（Generalized probabilistic theory）所允許的關(guān)聯(lián)。研究組聯(lián)合Marc-Olivier Renou等人對此前相關(guān)理論工作中提出的LOSR非局域性不等式進行改進，針對多光子實驗中常見的白噪聲提出了魯棒性更強的不等式，并在實驗中利用自主研制的“三明治型”高保真度多光子糾纏源[PRL115, 260402 (2015)]以26.3個標(biāo)準(zhǔn)差的違背驗證了真三體LOSR非局域性。研究組進一步在四體情形實驗違背了真四體LOSR不等式，實驗排除了基于共享隨機性和三體廣義關(guān)聯(lián)的局域性模型，展示了真四體非局域性。這些實驗結(jié)果表明僅兩體或三體非局域關(guān)聯(lián)無法解釋自然界產(chǎn)生的所有關(guān)聯(lián)。該工作中提出的不等式可以拓展到任意N體情形，而制備高保真度糾纏源的方法為實驗展示更大量子系統(tǒng)非局域性打下基礎(chǔ)。

文章共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生曹洹，副研究員張超以及西班牙光子科學(xué)研究所的Marc-OlivierRenou。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省的資助。

圖1：（a）LOSR局域模型；（b）白噪聲魯棒的新LOSR不等式。

圖2：本期PRL封面

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.150402

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）