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我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子非局域性研究中取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、柳必恒研究組將高維糾纏光子的總體探測(cè)效率提升到71.7%，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)探測(cè)漏洞的高維貝爾不等式檢驗(yàn)。該成果8月3日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

非局域性是量子力學(xué)和量子信息科學(xué)的重要基礎(chǔ)。隨著貝爾不等式的提出，人們可以在實(shí)驗(yàn)上檢驗(yàn)量子非局域性。由于實(shí)驗(yàn)裝置的不完美，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都存在漏洞，其中廣受關(guān)注的漏洞包括探測(cè)漏洞和局域性漏洞等。2015年，科學(xué)家們首次在二維糾纏體系中同時(shí)關(guān)閉了探測(cè)漏洞和局域性漏洞，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展出了各種設(shè)備無(wú)關(guān)的量子信息任務(wù)。

相比二維量子糾纏而言，高維量子糾纏在信道容量、安全性及抗噪能力上都具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此實(shí)現(xiàn)無(wú)漏洞的高維貝爾不等式檢驗(yàn)并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)的高維量子信息任務(wù)是目前量子信息領(lǐng)域亟需發(fā)展的重要方向。近年來(lái)李傳鋒、柳必恒研究組致力于高維量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)研究，并已取得一系列進(jìn)展，解決了高維量子糾纏的制備、傳輸、測(cè)量等困難，為實(shí)現(xiàn)高維量子網(wǎng)絡(luò)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在本實(shí)驗(yàn)中，研究組在高維糾纏光子的探測(cè)效率方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了無(wú)探測(cè)漏洞的高維貝爾不等式檢驗(yàn)。研究組采用波長(zhǎng)775納米的激光泵浦beamlike切割的非線性晶體得到波長(zhǎng)1550納米的糾纏光子，這種切割方式可以有效增大糾纏光子的收集效率，并采用了透過(guò)率達(dá)到99%的濾波裝置和探測(cè)效率90%的超導(dǎo)單光子探測(cè)器，并且所有光學(xué)元件的基片都采用了在1550納米吸收率極低的光學(xué)玻璃，由此最終實(shí)現(xiàn)了總體探測(cè)效率達(dá)71.7%的四維糾纏光子態(tài)，該探測(cè)效率遠(yuǎn)高于關(guān)閉四維貝爾不等式探測(cè)漏洞所需的閾值61.8%，同時(shí)四維糾纏光子態(tài)的保真度達(dá)到了99.5%。通過(guò)合理選擇參數(shù)，研究組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)探測(cè)漏洞的高維貝爾不等式檢驗(yàn)。該成果為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)同時(shí)關(guān)閉探測(cè)漏洞和非局域性漏洞的高維貝爾不等式檢驗(yàn)及設(shè)備無(wú)關(guān)的高維量子通信過(guò)程奠定重要基礎(chǔ)。

文章第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員胡曉敏博士和博士研究生張超。本研究得到科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院和合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持，柳必恒研究員是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者。

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖2：實(shí)現(xiàn)無(wú)探測(cè)漏洞的貝爾不等式檢驗(yàn)所需的探測(cè)效率對(duì)比圖。在保真度均為99.5%時(shí)，四維糾纏態(tài)的探測(cè)效率需求明顯低于兩維糾纏態(tài)的探測(cè)效率需求。

文章鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.060402

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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）