10月9日消息，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子力學基礎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，結果表明用兩體或三體非局域關聯無法解釋自然界產生的所有關聯。該成果10月4日發表在國際知名期刊《物理評論快報》上，并被選為該期的封面文章。
量子力學允許粒子之間存在非局域的關聯，即量子非局域性。量子非局域性是實現各種量子信息過程的重要資源。對于多體系統，真多體非局域性被認為是多體系統中能展現的最強的非局域關聯。真多體非局域性檢驗通常依賴于局域操作和經典通信(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合測量的概率分布服從無信號條件(non-signaling condition)，經典通信是禁止的，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構的非局域性。該三體系統的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聯不設限，即允許其關聯可以是量子關聯，也可以具有更為廣泛的不依賴量子力學描述的廣義概率理論(Generalized probabilistic theory)所允許的關聯。研究組聯合Marc-Olivier Renou等人對此前相關理論工作中提出的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個標準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聯的局域性模型，展示了真四體非局域性。這些實驗結果表明僅兩體或三體非局域關聯無法解釋自然界產生的所有關聯。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非局域性打下基礎。
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研究所的Marc-OlivierRenou。該工作得到了國家自然科學基金委、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。
