基于混合态纠缠光子对的量子非局域关联检验

Testing the quantum nonlocal correlation (QNC) is always a research hot in quantum physics，as QNC is both one of the most important nonclassical properties in quantum mechanics, and is also the important foundation for quantum information processing. Among various experimental demonstrations to test QNCs, the entangled photon pairs generated by nonlinear optical processes are popularly used. Different from the previous approaches to test QNCs using the pure states of the entangled photon pairs, this project tends to test QNCs by using mixed states generated in the realistic experiments via testing CHSH-Bell inequality and Hardy theorem without inequality. Based on the relationship between the maximum degree of violation of CHSH-Bell inequality and the degree of entanglement, we plan to increase the degree of the CHSH-Bell inequality violation by distillating the polarization entanglement (via, e.g., manipulating the orbital angular momentum of the photons). Also, we will investigate the methods for testing Hardy theorem with mixed states in experiments. Hopefully, this project will provide a powerful approach to test quantum mechanics and implement quantum information processing, with the mixed entangled states.

量子非局域关联是量子世界所特有的物理属性，也是实现量子信息处理的基础，因此对其进行实验检验一直都是量子物理研究的热点。利用非线性光学过程制备的纠缠光子对是目前最普遍的一种验证量子非局域关联的资源。与此前大多数基于纯态纠缠光子对检验方案不同的是，本项目拟从更符合实验实际的混合态纠缠光子对出发，通过CHSH-Bell不等式和非不等式形式的Hardy定理两种途径来进行量子非局域关联的实验检验。我们将探索利用光子轨道角动量操纵实现光子偏振纠缠蒸馏等有效途径来提高光子对的纠缠度从而增强CHSH-Bell不等式的违背程度；针对实验中所得到的非最大纠缠混合态，我们将研究如何在实验上用混合态来实现Hardy定理的验证，从而实现非不等式形式的量子非局域关联的实验检验。本项目的研究将为探索基于混合纠缠态的量子力学基本原理验证和量子信息处理提供实验支持。

本项目主要进行了相关量子非局域关联的检验研究，取得的主要研究进展合重要结果为，一，本项目首次提出一种利用混合纠缠态，基于Hardy定理检验量子非局域关联的理论方法，并进行了实际的实验验证。由于实验制备的量子态通常情况下为一混合态，因此本项目的研究方法和结果具有一定的普适性。实验结果证明了量子非局域关联的存在，一方面证明了量子力学基本原理的正确性，另一方面也为基于量子非局域关联进行的量子信息处理等研究奠定了理论和实验基础。二，本项目详细地研究了利用多阶梯形式的Hardy定理检验量子非局域关联的方法，并在实验上进行了验证，实验结果表明了利用多阶梯形式的Hardy定理，可以将成功检验量子非局域关联的概率提高到41.9%，这一结果可使人们更加方便进行量子力学基本原理的检验。三，通过纯化实验获得的纠缠态以及研究使用最优化的测量基，本项目还在实验上获得了最大CHSH-Bell不等式违背度的量子非局域关联检验。实验得到的CHSH-Bell不等式值为 ，基本接近理论预言的最大值 ，进一步验证了量子非局域关联的存在。四，本项目利用空间光调制器制备出了具有不同轨道角动量值的高质量螺旋光束，可作为后续纠缠蒸馏的研究基础之一。通过本项目的研究，在实验上通过不同的检验方法证明了量子非局域关联的存在，可为人们后续进行的基于量子非局域关联的应用研究，如量子保密通讯等提供理论依据。