郭光燦院士團隊在量子信息研究中取得重要進展，該團隊柳必恒研究員課題組與本源量子合作，在光學和超導兩個量子系統中實現真多體糾纏子空間的設備無關表征，完成了五比特糾錯碼碼空間的自檢驗。該工作5月14日發表在物理學國際期刊《物理進展報告》（Reports on Progress in Physics）上。
在量子信息領域，真多體糾纏態作為量子糾纏的最強形態，要求系統中任意兩個子系統間均存在糾纏關聯。由其構成的真糾纏子空間具有重要應用價值，特別是可以用于設計量子糾錯碼，通過將量子信息編碼在子空間中，避免因局部退相干導致的錯誤擴散。然而，與兩體糾纏態及真多體糾纏態的表征不同，真糾纏子空間的理論分析工具和實驗驗證方法仍處于空白狀態。雖然基于貝爾不等式的自檢驗方法已成功應用于量子糾纏態的設備無關認證，但將其拓展至多體糾纏子空間仍面臨重大挑戰。
圖1（a）邏輯子空間和（b）量子自檢驗示意圖
近期，理論同行構建了基于穩定子碼框架的新型貝爾不等式，該方案可實現對糾纏子空間的普適性表征——子空間內任意量子態（包括混態）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提供了理論依據。為驗證這一創新方法，研究團隊在光學系統和“本源悟空”超導量子計算機上同步開展實驗（概念圖見圖1），成功完成五比特量子糾錯碼碼空間的設備無關認證。通過制備系列邏輯量子態并進行貝爾測試，實驗數據顯示兩種系統的邏輯子空間保真度分別達到82%和62%以上（見圖2）。該過程僅依賴實驗觀測的數據而無需對實驗設備做可信假設。對比實驗中，研究團隊模擬了單個物理比特錯誤場景，發現邏輯態完全喪失對貝爾不等式的違背能力，證明其已脫離目標邏輯子空間。通過進一步檢驗錯誤子空間對應的貝爾不等式，成功實現對邏輯量子態空間演化的全程監控。
圖2（a）邏輯量子態及（b）其在發生單比特錯誤時不同噪聲條件下的量子自檢驗
文章共同第一作者為量子信息實驗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、國家自然科學基金委、安徽省及中國科學技術大學的支持。
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/add560
本文鏈接：http://www.020gz.com.cn/news-8-4419-0.html中國科大實現真多體糾纏子空間自檢驗
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