中國科大郭光燦院士團隊李傳鋒教授、許金時教授研究組與合作者發(fā)展了適合研究單體高維量子系統(tǒng)的可擴展光學(xué)體系，成功觀測到最強的邏輯形式量子關(guān)聯(lián)。李傳鋒、許金時等和數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院馬杰教授等人，聯(lián)合安徽大學(xué)許振朋教授、北京玻色量子科技有限公司文凱博士、南開大學(xué)陳景靈教授等組成了該研究團隊。成果1月29日發(fā)表在國際知名期刊《科學(xué)·進展》（Science Advances）上，《新科學(xué)家》（New Scientist）雜志以“Experiment with 37 dimensions shows how strange quantum physics can be”為題報道本項成果。

量子力學(xué)允許出現(xiàn)超越經(jīng)典物理學(xué)的關(guān)聯(lián)，其中邏輯形式的量子關(guān)聯(lián)無需違背不等式，能夠更明確地展示與經(jīng)典關(guān)聯(lián)的不同，吸引了廣泛的關(guān)注。1989年，Greenberger, Horne 和Zeilinger (GHZ) 首次預(yù)言了態(tài)依賴的邏輯形式量子關(guān)聯(lián)，揭示了量子力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)在實驗中四個條件概率組合的預(yù)言上出現(xiàn)確定性的矛盾，即著名的GHZ悖論。邏輯形式量子關(guān)聯(lián)的強度與所使用的條件概率組合的數(shù)量有關(guān)，條件概率組合數(shù)越少，量子關(guān)聯(lián)就越強。自GHZ結(jié)果發(fā)表36年以來，更強的邏輯形式量子關(guān)聯(lián)一直未取得進展。為了解決這一開放性問題，研究團隊發(fā)展了適用于邏輯形式關(guān)聯(lián)的圖論方法，通過搜索圖論常數(shù)，在37維空間中發(fā)現(xiàn)了僅使用三個條件概率組合的量子關(guān)聯(lián)，如圖1(A)所示。研究進一步表明，條件概率組合的數(shù)量已無法進一步減少，證明了該結(jié)果就是邏輯形式量子關(guān)聯(lián)的極限。

圖1：(A) 包含三個條件概率組合的GHZ型悖論中互斥事件的圖表示；(B) 實驗結(jié)果及相應(yīng)的非互文隱變量模型(NCHV)理論預(yù)言結(jié)果。

為了觀察到高維空間中的量子關(guān)聯(lián)，研究團隊設(shè)計了一個基于直和空間編碼和時間維度復(fù)用的可擴展光學(xué)體系，可以將高維空間中的制備-測量實驗分解為多個低維空間中的實驗。團隊在該體系中以超過8個標準差的置信度，觀測到了高維空間下邏輯形式量子關(guān)聯(lián)，如圖1(B)所示。該研究將為尋找更強的其它形式量子關(guān)聯(lián)提供重要線索，同時實驗中所觀測到的量子關(guān)聯(lián)將在量子計算和量子通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

中國科學(xué)院量子信息重點實驗室已畢業(yè)的博士研究生劉正昊、孟雨和數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院的博士研究生吳雨澤為論文共同第一作者。該工作得到了合肥國家實驗室、基金委、中國科學(xué)院、安徽省以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。