QST编辑优选：量子力学对操作完备下联合实在性的违背实验

Qiuxin Zhang (张球新), Yu Xiang (项玉), Xiaoting Gao (高小婷), Chenhao Zhu (朱晨昊), Yuxin Wang (王玉欣), Liangyu Ding (丁亮宇), Xiang Zhang (张翔), Shuaining Zhang (张帅宁), Shuming Cheng (程书明), Michael J. W. Hall, Qiongyi He (何琼毅) and Wei Zhang (张威)

通讯作者：

• 张帅宁，中国人民大学/北京量子信息科学研究院
• 张威，中国人民大学/北京量子信息科学研究院

研究背景：

两个可观测量同时拥有预先存在的测量结果被称为联合实在性。量子力学是否允许该现象的存在是一个重要的基础问题，也是其不同于经典理论的显著特征之一，最早由爱因斯坦等人于1935年提出。随着理论及实验技术的不断发展，研究者已经在各类不同假设下观察到了量子力学对联合实在性的违背，其中最典型的例子就是定域假设下的贝尔不等式可被一对具有纠缠的量子系统打破。对于最小的二维量子比特系统，以往的研究则要求至少使用三个测量并且在较强的非互文假设下才能观察到违背，对实验要求高。因此，如何使用更少的测量且在更宽松的假设下排除联合实在性存在的可能，不仅涉及量子物理基本问题的研究，对推动量子信息技术的实用化进程也具有重要意义。

研究内容：

离子阱系统具有调控与测量保真度高、相干时间长等优势，是实现量子计算与量子模拟的重要研究平台之一。本实验使用单个囚禁的镱离子编码的量子比特系统，在更宽松的操作完备假设下，观察到了一对可观测量在量子理论中不能同时拥有预先存在的测量结果，即，量子力学对联合实在性的违背。操作完备性是一类比以往研究中常用的非互文性更弱的假设，仅要求两个态集合在操作层面上是相似的，而不要求它们完全等价。因此，当物理量的测量结果预先确定时，它们对于操作完备的态的结果统计频率也近似相同。实验上，研究人员利用极高保真度的量子门操作，通过优化算法对原始实验数据进行处理，使其符合广义概率理论与操作完备性，最后根据推导的两个不可行定理进行检验。

通过引入精确可控的退相干信道，研究人员还比较了该系统对线性与非线性不可行定理的违背，展示了非线性不等式具有更强的噪声鲁棒性。退相干信道作为一类研究量子退相干过程的重要工具，也是研究量子与经典的过渡等诸多基础物理问题的关键。本文的实验结果不仅为含噪声中尺度量子信息处理提供了新途径，对推动囚禁离子技术这一结合量子物理、信息科学和微纳制造的新兴学科，自主研制高精尖仪器设备等方面起到重要作用。

张帅宁  讲师

中国人民大学/北京量子信息科学研究院

• 张帅宁，中国人民大学物理学系讲师，北京量子信息科学研究院兼聘助理研究员。研究领域为基于囚禁离子的量子信息与量子计算，在全局量子纠缠门和量子误差缓解方面有突出的研究工作，推进了囚禁离子中等规模含噪声量子计算的发展。

张威  教授

中国人民大学/北京量子信息科学研究院

• 张威，中国人民大学物理学系教授，北京量子信息科学研究院兼聘研究员。研究领域为原子分子物理和量子信息，近年来主要关注基于囚禁离子和超冷原子气体的量子模拟与量子计算。