中国科大首次研制出非局域量子模拟器并验证宇称-时间世界中的超光速现象

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      我校郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在量子模拟器研究中取得重要进展，该实验室李传锋教授研究组研制出非局域量子模拟器并模拟宇称-时间（Parity-time, PT）世界中的超光速现象。该成果首次展示了非局域性在量子模拟中的重要作用，为量子模拟器的发展开拓了新的研究方向。研究成果发表在8月8日的《自然•光子学》上。

量子模拟器是解决特定问题的专用量子计算机，它最初是由费曼于1981年提出的。目前人们更多关注量子模拟器的量子加速能力，操控的量子比特数越多，则运算能力越强。研究表明，如果操控量子比特数达到30个左右，量子模拟器的运算能力就能超过普通的经典计算机。目前实验上能操控10个左右量子比特。然而本研究成果首次揭示了量子模拟器的另一个重要优势，即量子非局域特性。非局域量子模拟器可以用来研究一些量子物理基本问题，对这类问题经典计算机在原理上是无法求解的。

宇称-时间（PT）对称理论是由美国物理学家Bender等人于2002年对量子力学进行推广而提出的。我们知道量子力学是基于一系列假定的，那么其中哪些假定可以放宽呢？Bernder等人认为哈密顿量的厄米性假定要求过严，可以放宽到用PT对称性假定代替，即假定哈密顿量具有空间-时间反演对称性。根据这一理论，我们现在认识的量子世界只是PT世界的一种特殊情况（具有厄米性）。李传锋研究组在实验上模拟了一个这样的PT世界。他们将纠缠光子对分发到两个相距25米的实验室构建非局域量子模拟器。除了纠缠光子对外，他们的量子模拟器还由一系列量子逻辑门及一个后选择操作构成。通过后选择（成功几率50%），他们使纠缠光子对中的一个光子进行PT对称演化。量子模拟结果表明，利用量子纠缠“幽灵般的超距作用”，光子的PT对称演化能使信息以超过1.9倍的光速从一个实验室传输到另一个实验室。当然进一步的结果证实，如果考虑整个系统（包括成功部分和失败部分），则总体信息的传输速度是不能超过光速的。

本成果展示了非局域量子模拟器在研究量子物理基本问题中的重要作用，同时揭示出了两个基本而有趣的问题：一是在现实世界中能否找到符合PT对称演化的量子系统，一旦找到则意味着有可能进行超光速通讯；二是在“幽灵般的超距作用”与超光速通讯之间是否能容下一个比量子力学更基本的理论。

文章共同第一作者为唐建顺副研究员和博士生王轶韬，理论部分由韩永建教授完成。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。
实验示意
PT世界超光速现象示意图