中国科大实现真多体纠缠子空间自检验

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郭光灿院士团队在量子信息领域取得关键突破，其柳必恒研究员课题组与本源量子联合攻关，在光学与超导两个量子平台上成功实现了对真实多体纠缠子空间的设备无关验证，并完成了五比特纠错码空间的自检验。该研究成果于5月14日发表于国际物理学权威期刊《物理进展报告》（Reports on Progress in Physics）。

在量子信息科学中，真多体纠缠态是量子纠缠的最高形式，要求系统中任意两个子系统之间都存在纠缠关系。由这类态构成的真纠缠子空间具有重要的应用潜力，尤其在量子纠错码的设计方面，能够通过将量子信息编码到该子空间中，防止局部退相干引发的错误扩散。然而，与两体纠缠及真多体纠缠态的检测不同，目前针对真纠缠子空间的理论分析工具和实验验证手段仍属空白。尽管基于贝尔不等式的自检验方法已在量子纠缠态的设备无关认证中取得成功，但将其推广至多体纠缠子空间仍面临巨大挑战。

图1（a）逻辑子空间与（b）量子自检验示意图

近期，相关理论研究提出了一种基于稳定子码框架的新颖贝尔不等式方案，能够实现对纠缠子空间的普适性描述——子空间内的任意量子态（包括混合态）均可最大程度地违反该不等式，从而为真纠缠子空间的自检验提供了理论基础。为了验证这一创新性方法，科研团队分别在光学平台和“本源悟空”超导量子计算机上同步开展实验（概念图见图1），最终成功完成五比特量子纠错码空间的设备无关认证。通过制备一系列逻辑量子态并进行贝尔测试，实验结果显示，两种系统的逻辑子空间保真度分别达到82%与超过62%（见图2）。整个过程仅依赖实验观测数据，无需对实验装置作出可信假设。对比实验中，研究人员模拟了单个物理比特出错的情形，发现逻辑态完全失去了对贝尔不等式的违背能力，表明其已脱离目标逻辑子空间。进一步检验错误子空间对应的贝尔不等式后，成功实现了对逻辑量子态空间演化的全过程监控。

图2（a）逻辑量子态及其在发生单比特错误时（b）不同噪声条件下的量子自检验结果

论文的共同第一作者为量子信息实验室特任副研究员郭钰、博士生唐昊以及张家璇。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、安徽省及中国科学技术大学的资助支持。

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