近日，中國科大郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、柳必恆研究組與電子科技大學王子竹教授、奧地利高小欽博士、Miguel Navascués教授等合作，首次實現了高維量子糾纏態的最優檢測。
據悉，相關成果發表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
據介紹，量子糾纏是量子信息過程的核心資源，如何在實驗上製備和檢測量子糾纏是量子信息領域的基本任務。然而，隨着系統維度數和粒子數的增加，量子態層析技術這種傳統的檢測量子糾纏態的方法消耗的資源將會指數增長，因而在實驗上不具備可擴展性。為了解決高維糾纏檢測這一難題，研究組曾利用基於保真度的糾纏目擊方法檢測了32維的兩體最大糾纏態，保真度達到了世界上最高水平[Phys. Rev. Lett.125, 090503 (2020)]。然而對於常見的非最大高維糾纏態，基於保真度的糾纏目擊方法並不普適。
針對該困難，研究組與理論合作者們給出了一種最優的量子糾纏檢測方法，該方法適用於所有的兩體量子糾纏態。為了檢驗該方法的普適性，他們在實驗上巧妙的製備出一系列不同類型的高維量子糾纏態，並實現了對該量子糾纏態的局域測量等操作，從而實現最優的量子糾纏檢測。實驗結果表明，對於四維或三維的不能採用基於保真度的糾纏目擊方法檢測的量子糾纏態，用新的方法只需採用三組測量基即可認證其量子糾纏。
值得一提的是，本成果解決了兩體高維糾纏態的檢測問題，為實現各種高維量子信息過程和研究高維繫統中的量子物理基本問題打下重要基礎。
圖1. 高維量子糾纏態的最優檢測實驗結果。（a）和(b)是兩種不同的非最大糾纏態。圖中綠色區域中的糾纏態不能用基於保真度的糾纏目擊方法檢測。