中国科大郭光灿院士团队李传锋教授、许金时教授研究组与合作者发展了适合研究单体高维量子系统的可扩展光学体系，成功观测到最强的逻辑形式量子关联。李传锋、许金时等和数学科学学院马杰教授等人，联合安徽大学许振朋教授、北京玻色量子科技有限公司文凯博士、南开大学陈景灵教授等组成了该研究团队。成果1月29日发表在国际知名期刊《科学·进展》（Science Advances）上，《新科学家》（New Scientist）杂志以“Experiment with 37 dimensions shows how strange quantum physics can be”为题报道本项成果。

量子力学允许出现超越经典物理学的关联，其中逻辑形式的量子关联无需违背不等式，能够更明确地展示与经典关联的不同，吸引了广泛的关注。1989年，Greenberger, Horne 和Zeilinger (GHZ) 首次预言了态依赖的逻辑形式量子关联，揭示了量子力学和经典物理学在实验中四个条件概率组合的预言上出现确定性的矛盾，即著名的GHZ悖论。逻辑形式量子关联的强度与所使用的条件概率组合的数量有关，条件概率组合数越少，量子关联就越强。自GHZ结果发表36年以来，更强的逻辑形式量子关联一直未取得进展。为了解决这一开放性问题，研究团队发展了适用于逻辑形式关联的图论方法，通过搜索图论常数，在37维空间中发现了仅使用三个条件概率组合的量子关联，如图1(A)所示。研究进一步表明，条件概率组合的数量已无法进一步减少，证明了该结果就是逻辑形式量子关联的极限。

图：(A) 包含三个条件概率组合的GHZ型悖论中互斥事件的图表示；(B) 实验结果及相应的非互文隐变量模型(NCHV)理论预言结果。

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为了观察到高维空间中的量子关联，研究团队设计了一个基于直和空间编码和时间维度复用的可扩展光学体系，可以将高维空间中的制备-测量实验分解为多个低维空间中的实验。团队在该体系中以超过8个标准差的置信度，观测到了高维空间下逻辑形式量子关联，如图1(B)所示。该研究将为寻找更强的其它形式量子关联提供重要线索，同时实验中所观测到的量子关联将在量子计算和量子通信领域发挥重要作用。

中国科学院量子信息重点实验室已毕业的博士研究生刘正昊、孟雨和数学科学学院的博士研究生吴雨泽为论文共同第一作者。该工作得到了合肥国家实验室、基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abd8080

《新科学家》杂志报道链接：https://www.newscientist.com/article/2466110-experiment-with-37-dimensions-shows-how-strange-quantum-physics-can-be/

（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）