“量子”全球首次！北京量子院离子阱量子计算研究组实现量子互文性无漏洞测试

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近日，北京量子信息科学研究院助理研究员王鹏飞、张静宁和兼聘教授金奇奂，联合清华大学、西班牙塞维利亚大学、南方科技大学等单位的研究人员，首次在实验上实现了量子互文性的无漏洞检验。该成果是量子力学基础研究中的一项重要进展。相关论于2月9日刊发在国际学术期刊《Science Advances》

量子互文性是量子体系和经典体系之间的本质区别。在人们熟悉的经典世界中，当人们以不同的顺序或在不同的时间点测量同一个体系的同一个观测量时，输出的结果总是相同。因此人们自然地认为这些被测量的观测值是早就存在的，并且在测量之后仍然存在。

然而这个假设在量子力学中并不成立。量子系统中的一对测量也可以产生互不干扰的测量结果并且在重复测量时产生相同的结果，但即使在这种情况下，它们测量结果的相关性也不能用预先存在内在值的假设来解释。基于这一现象，科学家提出了量子力学中量子互文性的Bell-Kochen-Specker定理。这个性质如今被证明是量子计算机性能超越经典计算机的内在原因。

但是，如何在关闭所有“漏洞”的情况下，在实验上测试量子互文性一直是一个极具挑战的问题。因为几乎所有的实验平台以及实验方法都有各种不同的缺陷，这些缺陷又叫做实验漏洞，在这些缺陷加上一些合理的假设就可以轻易推翻实验结论，导致实验结果不可信。

清华大学物理系离子阱量子计算研究组巧妙地利用Yb-Ba混合离子系统排除了所有漏洞，在实验上首次实现了量子互文性的无漏洞检验。在此次研究中，研究团队提出了一种利用复合系统进行无漏洞量子互文性测试的实验方法。实验中使用两种不同离子进行实验来保证它们彼此互不干扰，并通过对两种离子分别进行重复测量来保证理想观测条件，且实验中没有漏掉任何测量结果。最后的实验结果实现了量子互文性不等式15个标准差的违背。

该成果除了对于基础研究意义重大外，还可以广泛地应用在量子信息的其他领域，比如可以用该方案检测 “量子计算机”是否是真正的量子计算机，即量子系统真伪的鉴别；以及用作自验证的量子随机数发生器、盲量子计算等。

该工作受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金“第二代量子体系的构筑与操控”重大研究计划和国家自然科学基金委的支持。

相关论文信息：

Significant loophole-free test of Kochen-Specker contextuality using two species of atomic ions

PENGFEI WANG JUNHUA ZHANGCHUN-YANG LUAN MARK UMYE WANG MU QIAO TIAN XIE JING-NING ZHANG ADÁN CABELLO AND KIHWAN KIM

SCIENCE ADVANCES • 9 Feb 2022

参考资料来源：中国科学报

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