近日，中国科学技术大学发布重要研究成果。该校中国科学院院士郭光灿团队柳必恒研究组与合作者取得重大突破，在实验上成功制备出高保真度的高维多光子纠缠态，并首次在实验中观测到真实高维多体量子非局域性的存在。这一里程碑式成果已于日前发表在顶级学术期刊《自然·通讯》上。
量子电路等价性检验协议概念图
量子非局域性是量子力学最核心且深刻的现象之一，深刻揭示了量子物理与经典物理的本质区别，也是保障量子信息安全的重要基石。长期以来，非局域性的实验研究主要局限于两个粒子或二维量子系统。然而，现实世界中的量子过程往往涉及多个粒子（多体）和更高维度。研究高维多体系统不仅是基础科学的重要延伸，也为提升量子信息处理能力、抗干扰能力及通信容量提供了关键路径。但高维度与多体带来的复杂性剧增，使得该领域的实验研究长期面临巨大挑战。
为攻克这一难题，研究团队创新性地提出并实现了一种基于“路径不可区分性”原理的高维多体纠缠态制备方法。该方案利用光子的路径自由度编码三维量子态，并通过偏振控制实现二维平面内不同路径间的高效交换操作，从而在保持高度相干性的同时，显著提升了系统的稳定性与操控精度。基于此方法，团队成功制备出名为Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态的三光子三维多量子比特纠缠态，其保真度高达91%，创造了高维多光子纠缠态保真度的最高纪录，为后续的非局域性检测奠定了坚实基础。
柳必恒教授在中国科学院量子信息重点实验室
在此基础上，研究团队通过构建新型贝尔不等式检验范式，在实验中观测到了超越量子比特系统理论极限的量子关联。这一成果首次在实验层面确凿证实了真实高维多体非局域性的存在，为未来设备无关型量子信息应用的发展奠定了至关重要的基础。
研究人员强调，这项突破性成果不仅填补了国际高维多体量子非局域性实验研究领域的空白，深化了人类对量子纠缠本质的理解，同时为构建可扩展、高容量、抗噪声的量子信息处理系统提供了关键的技术支撑。高维多体纠缠态有望在量子通信、量子计算与量子精密测量等前沿领域展现出广阔的应用前景。
柳必恒教授（右二）在石佛寺镇魏高邑村的家中
柳必恒，湖北武穴石佛寺镇魏高邑村九龙桥柳垸人，1998年毕业于武穴中学，同年考入中国科学技术大学物理系，2002年获物理学学士学位，2007年获光学博士学位，后留校从事博士后研究。现为中国科学技术大学博士生导师、中科院量子信息重点实验室研究员。
柳必恒长期致力于量子光学与量子信息学研究，近年来在多光子干涉、光子纠缠态制备与应用等方向取得系列重要成果，已在《自然》子刊、《物理评论快报》等国际顶尖期刊发表论文百余篇。作为主要完成人，柳必恒参与完成的“基于量子信息技术研究量子物理基本问题”项目荣获2020年度国家自然科学二等奖（2021年11月3日颁奖）。他还荣获了饶毓泰基础光学奖一等奖和安徽省科学技术奖一等奖、教育部自然科学奖一等奖等奖项。
通讯员丨帅又龙
