撰稿|由课题组供稿
近日，北京计算科学研究中心薛鹏教授课题组及理论合作者在量子力学基础研究领域中取得重要进展，首次在量子体系中同时验证非局域性和互文性。研究成果以“Synchronous Observation of Bell Nonlocality and State-Dependent Contextuality”为题，于2023年1月23日发表于Physical Review Letters，并入选Editors' Suggestion。
1964年物理学家J. Bell基于定域实在性提出了著名的Bell不等式，为了使实验更加容易现实，J. F. Clauser，M. A. Horne，A. Shimony和R. A. Holt改进并推广了Bell不等式，即CHSH不等式，而后大量实验验证CHSH不等式在量子纠缠体系中的违背，说明了量子体系是非定域的，其中A. Aspect、J. F. Clauser和A. Zeilinger正是因为在这方面的实验研究成果获得了2022年诺贝尔物理学奖。除了定域实在性，量子体系也不存在经典体系的语境实在，也就是量子体系具有互文性(Contextuality)，也被称为上下文关系。量子测量不同于经典测量，存在着不相容的测量方式 (Incompatible measurement) ，相互不对易的可观测量就是不相容的测量，构成不同的文本，不同文本之间就存在互文性。具体来说互文性是指在单体量子体系中可观测量的测量结果会依赖于与之同时测量的相容的可观测量的测量，也就是属于同一文本的测量的结果会相互影响，它也被视为量子非定域性在单体体系的推广。类似地，互文性可以通过KS(Simon B. Kochen和Ernst Specker)定理或者KCBS (Klyachko—Can—Binicioğlu—Shumovsky)不等式的违背来证明。
2014年，波兰物理学家P. Kurzyński等人在一个两体量子体系中同时考虑非定域性与互文性，基于无扰动原理(No-disturbance principle)，提出了关于非定域性与互文性之间存在此消彼长关系的新理论，也就是CHSH不等式和KCBS不等式不能同时违背的单婚性关系(Monogamy relation)。薛鹏教授课题组利用纠缠的光子对，首次在实验上验证了这种此消彼长的关系，论文于2016年发表于Phys. Rev. Lett. 116, 090401 (Editors’ Suggestion)。
联合测量示意图、实验装置图
以上单婚性关系中，非定域性的测试每次仅考虑Alice和Bob各一个测量的情况。这是一种很自然的假设，但是我们注意到在Bob做互文性测试时每个测量都是与一个与其相容的测量同时进行的。事实上，这种联合测量构成了对该粒子的新的广义测量。那么，这种广义测量带来的新的非定域性与互文性之间是否还遵循单婚性关系？为了回答这一问题，薛鹏教授课题组及合作者首先从理论上严格证明了非局域性和互文性之间并不存在严格的单婚性关系，也就是CHSH不等式和KCBS不等式可以同时被违背。如图所示，Alice和Bob共享一对纠缠光子，通过选取合适的可观测量对Alice和Bob联合测量来验证CHSH不等式的违背；通过五个两两相互相容的可观测量，测量Bob的光子来验证KCBS不等式的违背。实验发现，在非局域性的观测中如果对Bob处的测量不是单个测量，而是相容的联合测量，则可以实现CHSH和KCBS不等式的同时违背，即同时验证了量子体系的非局域性和互文性。
该项研究从量子力学的基础理论出发，同时观测到非局域性和互文性，为更深层次地理解量子力学的基础及定域实在性、语境实在性等提供了新思路，也为更好地利用量子资源和直接开发量子特性本身的应用开辟了新途径。
该项研究于2023年1月23日发表于Phys. Rev. Lett. 130, 040201 (2023),被选为编辑推荐论文(Editors’ Suggestion)。其理论合作者为巴西坎皮纳斯州立大学R. Rabelo教授团队。研究获得国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.040201
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