近日，由清华大学物理系金奇奂（Kihwan Kim）教授领导的离子阱量子计算课题组基于混合离子系统首次演示了量子互文性无漏洞测试。这项题为“Significant loophole-free test of Kochen-Specker contextuality using two species of atomic ions”的研究成果于2月9日发表在《Science Advances》。

       量子互文性是量子体系和经典体系之间的本质区别。在我们熟悉的经典世界中，当我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的。因此我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。这一现象由科亨（Kochen）、施佩克尔（Specker)和贝尔（Bell）在1960年提出，由此产生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，因为实验上存在漏洞就可以轻易推翻实验结果。量子互文性测试和Bell测试很类似，但是并不需要类空间隔这一条件。最近，一些Bell测试实验已经在没有重大漏洞的情况下得到了证明。然而，包括量子计算机在内的许多量子系统很难大到足以容纳处于类空间隔关系的子部件。在这种情况下，我们如何知道系统是在量子状态下运行的并受量子力学原理的控制呢?量子互文性测试可以提供一个解决方案。在光子、中子、离子、分子核自旋、超导系统的体系中，人们已经观察到了量子互文性不等式的违背，但它们都无法关闭所有的漏洞。

混合离子阱实验系统示意图

       金奇奂教授的研究组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，而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。详细来说，量子互文性的实验验证主要涉及两个漏洞，探测性漏洞和理想（ideal）观测漏洞，其中理想观测漏洞又可以分为锋利性（sharpness）漏洞和兼容性漏洞。该研究采用的混合离子系统用荧光探测技术探测量子比特状态，实现了100%的探测效率和高达98%的探测保真度，由此关闭了探测性漏洞和锋利性漏洞。混合离子系统包含囚禁在保罗阱中的一个Ba离子和一个Yb离子。量子互文性不等式的每对观测量分别对应于一对不同的离子，而且两个离子具有完全不同的操作激光、探测激光以及探测装置，这就保证了兼容性漏洞的关闭。测试量子互文性需要的初始纠缠态是通过Mølmer-Sørensen（M-S）量子门制备的。实验结果清楚地显示了量子互文性不等式的违背。

实验中用到的M-S量子操作门数据图

       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它领域。比如很多量子体系因为尺寸不能实现类空间隔而无法进行Bell测试，该研究设计的方案没有类空间隔的要求，可以用于量子系统的真伪验证；比如可以用来检测 “量子计算机”是否是真正的量子计算机；此外还可以用作自验证的量子随机数发生器、盲量子计算等。

       该论文通讯作者为清华大学的金奇奂教授和西班牙塞维利亚大学Adán Cabello教授。共同第一作者是清华大学博士毕业生王鹏飞和张君华，目前分别是北京量子信息科学研究院和南方科技大学的助理研究员。其他作者有清华大学的栾春阳、乔木、严马可、汪野、谢天和北京量子院助理研究员张静宁。该工作得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。

       论文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abk1660?af=R