郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子信息研究中取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)柳必恒研究員課題組與本源量子合作，在光學(xué)和超導(dǎo)兩個(gè)量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)真多體糾纏子空間的設(shè)備無關(guān)表征，完成了五比特糾錯(cuò)碼碼空間的自檢驗(yàn)。該工作5月14日發(fā)表在物理學(xué)國際期刊《物理進(jìn)展報(bào)告》（Reports on Progress in Physics）上。

在量子信息領(lǐng)域，真多體糾纏態(tài)作為量子糾纏的最強(qiáng)形態(tài)，要求系統(tǒng)中任意兩個(gè)子系統(tǒng)間均存在糾纏關(guān)聯(lián)。由其構(gòu)成的真糾纏子空間具有重要應(yīng)用價(jià)值，特別是可以用于設(shè)計(jì)量子糾錯(cuò)碼，通過將量子信息編碼在子空間中，避免因局部退相干導(dǎo)致的錯(cuò)誤擴(kuò)散。然而，與兩體糾纏態(tài)及真多體糾纏態(tài)的表征不同，真糾纏子空間的理論分析工具和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法仍處于空白狀態(tài)。雖然基于貝爾不等式的自檢驗(yàn)方法已成功應(yīng)用于量子糾纏態(tài)的設(shè)備無關(guān)認(rèn)證，但將其拓展至多體糾纏子空間仍面臨重大挑戰(zhàn)。

圖1（a）邏輯子空間和（b）量子自檢驗(yàn)示意圖

近期，理論同行構(gòu)建了基于穩(wěn)定子碼框架的新型貝爾不等式，該方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)糾纏子空間的普適性表征——子空間內(nèi)任意量子態(tài)（包括混態(tài)）均能最大程度違背該不等式，從而為真糾纏子空間的自檢驗(yàn)提供了理論依據(jù)。為驗(yàn)證這一創(chuàng)新方法，研究團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)和“本源悟空”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)上同步開展實(shí)驗(yàn)（概念圖見圖1），成功完成五比特量子糾錯(cuò)碼碼空間的設(shè)備無關(guān)認(rèn)證。通過制備系列邏輯量子態(tài)并進(jìn)行貝爾測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示兩種系統(tǒng)的邏輯子空間保真度分別達(dá)到82%和62%以上（見圖2）。該過程僅依賴實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)而無需對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備做可信假設(shè)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)模擬了單個(gè)物理比特錯(cuò)誤場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)邏輯態(tài)完全喪失對(duì)貝爾不等式的違背能力，證明其已脫離目標(biāo)邏輯子空間。通過進(jìn)一步檢驗(yàn)錯(cuò)誤子空間對(duì)應(yīng)的貝爾不等式，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯量子態(tài)空間演化的全程監(jiān)控。

圖2（a）邏輯量子態(tài)及（b）其在發(fā)生單比特錯(cuò)誤時(shí)不同噪聲條件下的量子自檢驗(yàn)

文章共同第一作者為量子信息實(shí)驗(yàn)室特任副研究員郭鈺、博士生唐昊、張家璇。該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的支持。