中科大潘建偉團隊實現了新的糾纏結果：暗示著更好的量子密碼

中科大潘建偉團隊在相當長的距離內將三個光子糾纏在一起，這可能導致更強大的量子密碼學，三向糾纏代表了向全球量子網際網路又邁進了一步。

前不久，三位科學家因證明量子世界中最違反直覺而又最重要的現實之一而獲得

了諾貝爾物理學獎。他們表明，兩個糾纏在一起的量子粒子必須被視為一個單一的系統，它們的狀態不可避免地相互交織在一起，即使這些粒子相隔很遠。在實踐中，這種“非局域性”現象意味著，你面前的系統可以瞬間受到千里之外的東西的影響。

糾纏和非局域性使計算機科學家能夠建立不可破解的程式碼。在一種被稱為與裝置無關的量子金鑰分配技術中，一對粒子被糾纏起來，然後分發給兩個人。粒子的共享屬性現在可以作為一種程式碼，使量子計算機能夠突破經典加密技術，能保證通訊安全。

但為什麼只停留在兩個粒子上？在理論上，有多少粒子可以共享一個糾纏狀態是沒有上限的。幾十年來，理論物理學家們一直想象著三方、四方、甚至一百方的量子連線，這種可以實現完全分散式量子保護的網際網路的東西。現在，中科大潘建偉團隊實現了三個粒子之間的非局域糾纏，將提高量子密碼的強度，並普遍提高量子網路的可能性。

新奧爾良大學的量子資訊理論家彼得-比爾霍斯特（Peter Bierhorst）評價說：“兩方非局域性已經夠瘋狂了。”“但事實證明，當你有三方時，量子力學可以做的事情甚至超越了這個範圍。”

物理學家以前曾將兩個以上的粒子糾纏在一起。記

錄是在14個粒子和15萬億之間，具體取決於您詢問的物件。但這些只是在很短的距離內

，最多隻有幾英寸的距離。加拿大滑鐵盧周邊理論物理研究所的量子理論家埃利-沃爾夫（Elie Wolfe）說，為了使多方糾纏對密碼學有用，科學家需要超越簡單的糾纏並證明非局域性，“這是一個很高的標準”。

證明非局域性的關鍵是測試一個粒子的屬性是否與另一個粒子的屬性相匹配，這是糾纏的標誌，一旦它們相距足夠遠以至於沒有其他東西可以產生影響。例如，一個物理上仍然靠近其糾纏的孿生粒子可能會發出影響另一個粒子的輻射。如果它們相隔一公里，而且幾乎是瞬間測量，那麼它們很可能只是透過糾纏聯絡在一起。實驗者使用一組被稱為貝爾不等式的方程來排除所有其他關於粒子聯絡屬性的解釋。

對於三個粒子，證明非局域性的過程是類似的，但有更多的可能性需要排除。這使得科學家們為證明三個粒子的非局域性關係而必須跳過的測量和數學圈的複雜性都有所上升。“比埃爾霍斯特說：”你必須想出一種創造性的方法來處理它，並且擁有在實驗室中創造合適條件的技術。

發表在今年8月物理學頂級學術週刊《物理評論快報》上的論文中，中科大潘建偉團隊取得了關鍵性的飛躍。該重要論文成果國內少有報道，但所體現的意義非同一般。

首先，該研究透過一種特殊型別的晶體發射鐳射，將三個光子糾纏在一起，並將它們放置在研究設施的不同區域，相距數百米。然後同時測量了每個光子的隨機屬性。研究人員分析了測量結果，發現三個粒子之間的關係最好用三向量子非定域性來解釋。這是迄今為止最全面的三向非定域性演示。

該研究的主要作者之一、

博士後、

顧雪梅（

Xue-Mei Gu

）說：從技術上講，仍然有很小的可能性是其他東西導致了這些結果。“”我們仍然有一些公開的漏洞。但是透過分離粒子，能夠排除對其資料最明顯的替代性解釋：物理上的接近。“

該研究團隊還將他們的實驗建立在一個新的、更嚴格的三方非局域性定義的基礎上，該定義在過去幾年中越來越受到重視。過去的實驗允許測量光子的裝置之間進行合作，而中科大的這三個裝置不能進行通訊。瑞士聯邦理工學院蘇黎世分校的量子物理學家雷納託-雷納評價說，相反，他們對粒子進行了隨機測量，這種限制在任何通訊都可能被破壞的加密場景中很有用。

亞利桑那大學的量子資訊理論家賽卡特-古哈（Saikat Guha）評論說：現在，遵循新定義的研究人員已經成功地將粒子糾纏到這麼遠的距離，他們可以專注於進一步擴大這個距離。”這是做更遠距離、更大範圍實驗的一個重要墊腳石。“

雷納說，最直接的是，這項技術可以為更廣泛的量子金鑰分配提供動力。如果你使用糾纏的粒子作為加密的關鍵，物理學家用來測試非區域性性的貝爾不等式可以確保你的秘密是完全安全的。那麼，即使用來發送或接收資訊的裝置被最大的敵人惡意操縱，他們也無法確定你的量子金鑰。這些秘密留在擁有糾纏粒子的人之間。

照片顯示了三方：愛麗絲、鮑勃和查理的相對位置以及兩個糾纏光子的來源。中科大研究人員將三個粒子糾纏在一起，並將它們放置在相隔數百米的設施中，標明為Alice、Bob和Charlie。

雷納說，量子金鑰分配是 ”人們興奮的事情“，去年，三個獨立的小組在實驗室裡演示了該協議，儘管仍然是小規模的。這就是為什麼三方非局域性將是如此重要。”你原則上擁有更多的加密能力，“因為這些三方連線不能透過拼湊幾個雙向連結來模擬。

比爾霍斯特說：”這是一個根本性的新水平的現象，它可以將獨立於裝置的密碼學從基本的雙向通訊擴充套件到整個秘密分享者網路。“

除了密碼學，多方糾纏也為其他型別的量子網路提供了可能性。像古哈這樣的研究人員正在研究一個量子網際網路，它可以像普通網際網路連線普通裝置那樣連線量子計算機。這個系統將把許多量子裝置的計算能力集中起來，透過不同距離連線具有不同程度糾纏的數百萬粒子。古哈說，我們擁有這樣一個系統的所有單個構件，但將其組裝起來”是一個巨大的、巨大的工程挑戰“。考慮到這一目標，荷蘭的科學家們已經成功地在一個橫跨兩個獨立實驗室的網路中糾纏了三個粒子，儘管與中科大的團隊不同，他們並不專注於展示非局域性。

比埃爾霍斯特說，這項關於三方糾纏的工作開始時”只是一個有趣的現象“，但是，”當你有了量子力學可以做到的東西，而它在其他方面是不可能做到的，這將開闢各種新的技術可能性，可以以不可預見的方式加以利用。“

目前，一些實驗室已經證明了非常接近的粒子之間的四向非局域性。”這些實驗在這一點上是相當推測的。你必須做出很多假設，“比埃爾霍斯特說。

三向實驗也仍然依賴於一些假設。諾貝爾獎獲得者花了半個世紀的時間來排除他們雙向實驗中的這些漏洞，最終在2017年獲得成功。但從那時起，我們在技術上已經走過了很長的路，雷納說，”以前［花了］幾十年的事情，現在一年左右就能實現。“