高维多粒子纠缠光子态中真性非局域性的实验观测

中国科学技术大学团队通过路径编码和偏振控制技术，首次实验实现了三/四粒子三维GHZ态的高保真制备，利用改进的贝尔不等式链式检验（B≤7.446→9），突破性观测到超越量子比特限制的高维多粒子非局域性（B=8.302±0.024），为高维量子计算和抗噪声通信协议奠定基础。

　　

在量子信息科学领域，高维量子系统因其超越传统量子比特（qubit）的信息容量和抗噪声能力，被视为下一代量子技术的核心。然而，要实现高维多粒子系统的真性非局域性（genuine high-dimensional multi-partite non-locality）面临双重挑战：理论上缺乏有效的检测标准，实验上难以制备高保真的高维多粒子纠缠态。此前研究虽在12-51个量子比特系统中实现多粒子纠缠，但高维非局域性始终未被实验观测到，这严重制约了高维量子优势的验证和应用开发。

中国科学技术大学的研究团队联合瑞典皇家理工学院等机构，在《Nature Communications》发表突破性成果。他们创新性地采用路径全同（path identity）方案，将量子态编码于光子路径自由度（DoF），通过偏振-路径耦合控制技术，成功制备出保真度达0.910±0.006的三光子三维GHZ态（|GHZ_3,3?=(|000?+|111?+|222?)/√3），并首次观测到违背量子比特约束的高维多粒子非局域性。

研究团队运用三项关键技术：1）基于自发参量下转换（SPDC）的路径编码光源系统，通过6束激光泵浦BBO晶体产生二维阵列的纠缠光子对；2）偏振-路径交换装置，利用半波片阵列（HWPA）和偏振分束器（PBS）实现层间路径交换；3）改进的贝尔不等式链式检验方法，建立从经典（LHV）到不同维度组合（(2,2,3)、(2,3,3)）的渐进式判据。实验采用窄带滤波（3nm）使光子间Hong-Ou-Mandel干涉可见度达0.981±0.001，为高维纠缠制备提供关键保障。

【三量子三进制GME见证】
通过计算基（C）和傅里叶基（F）的双基测量，团队验证W_3-qutrit=1.849±0.016>5/3的显著违背，证明三维真性多粒子纠缠（p<10^-18）。子空间测量进一步确认态保真度F_exp=0.910±0.006，超越二维GME阈值40.5个标准差。

【四量子三进制GME见证】
扩展至四粒子系统后，仅用162组测量（相比全态层析20,736组）即观测到W_4-qutrit=1.841±0.029的违背，保真度下限0.841±0.029。该高效见证方案将测量资源降低两个数量级。

【多粒子非局域性】
通过9组全局测量设置，实验获得贝尔参数B=8.302±0.024，不仅超越经典极限7（54.3σ），更突破(2,3,3)组合的8.225阈值（3.2σ）。这是首次实验证实：观测现象必须用三维多粒子纠缠才能解释，排除了量子比特系统的可能性。

这项研究在三个维度实现突破：理论层面开发出噪声容忍的维度分辨贝尔不等式；技术层面创立偏振-路径耦合的高维态制备方法；应用层面为高维量子秘钥分发（QKD）和分布式量子传感提供新工具。特别是路径全同方案的可扩展性，为制备更复杂的高维图态（graph states）开辟道路。未来通过优化补偿技术和稳定结构，保真度有望进一步提升，推动高维量子网络和容错计算的发展。该成果标志着量子非局域性研究从"比特时代"迈入"高维时代"，为探索量子物理前沿和实现量子优越性提供了新范式。