室温下的量子纠缠！中国科大杜江峰团队成功纠缠两个qutrit

量子关联是量子物理学的一个重要问题，最近，高维量子关联引起了巨大的科研热潮。近日，中国科大杜江峰院士团队报告了室温下金刚石中单个氮-空位(NV)色心的双qutrit自旋系统中的量子关联的实验研究[1]。在室温下观察到两个qutrit之间的量子纠缠，并揭示了在qutrit情况下存在纠缠之外的非经典相关性。此次实验展示了NV色心作为多qutrit系统执行量子信息任务的潜力，为未来研究高维量子系统的基础物理提供了强大的实验平台。

需要说明的是，qutrit是量子三进制的基本单元，而量子比特(qubit)是二进制，一个qutrit表示的状态多于qubit，随着数量增加，表示的状态呈指数增长。

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量子关联：揭示量子失协、量子纠缠

量子关联（Quantum correlation）阐明了区分量子相关系统与完全归因于联合经典概率分布的最基本特征，可能揭示各种量子信息处理（QIP）中量子增强的起源。用量子比特进行QIP可能提供更高的希尔伯特空间，从而在量子计算中获得更高的效率和灵活性、在量子通信中获得更大的信道容量和更好的噪声容忍度、在自然界的基本测试中获得更宽松的约束。

量子失协（Quantum discord）即使在可分离的状态下也能描述非经典的相关性，当这些状态被应用于QIP时，可能有助于量子增强。在过去的几十年里，量子失协现象被深入研究，但实验仅限于四比特的系统。

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测量“双qutrit各向同性态”的量子关联

此次实验中，杜江峰院士团队报告了对一个双qutrit系统中量子关联的实验研究。NV色心具有电子自旋与核自旋，可以作为一个双qutrit系统来研究高维量子关联关系。在实验中，制备并测量了在量子关联研究中至关重要的“双qutrit各向同性态”（two-qutrit isotropic states）的量子关联：揭示了不同状态参数值下的量子失协和量子纠缠特征。实验证明，存在一个阈值——在这个阈值下，量子纠缠消失，而量子失协依然存在。

图1 由NV色心构建的双qutrit系统。(a)原子结构示意图。(b)NV色心的基态能级。电子自旋和核自旋的九种不同状态构成了一个双qutrit系统。不同的电子（核）自旋状态之间的转换可以由紫色（红色）箭头所示的微波（射频）脉冲来引导。

图2 实验性脉冲序列和重建的密度矩阵。(a)脉冲序列示意图，包括偏振、状态准备和断层扫描。在状态准备过程中，选择性的MW（紫色）和RF（红色）脉冲被用来生成各向同性态ρiso（ρ）。这些脉冲的频率对应于图1(b)所示的能级之间的转换频率。灰色方框代表断层扫描的MW和RF脉冲序列。(b)ρ = 0.94的纠缠态的实验密度矩阵。条形图显示的是实验结果，而线格代表了相应的模拟结果。实验结果与模拟结果非常吻合，状态保真度为96%。

图3 各向同性态的量子关联。(a)和(b)分别显示了量子纠缠和量子失协的实验结果。点是实验数据，实线是模拟结果。数据点的垂直误差条是用高斯统计的蒙特卡洛模拟计算出来的；数据点的缺失和它们的误差条是通过比较实验结果和模拟结果，找到每个蒙特卡洛运行的最可能的ρ而得到的。虚线对应的是ρ=1/4，这是可分离状态和熵之间的分界线。

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NV色心潜力巨大：有望应用于高维量子信息处理

此次实验研究了单个NV色心中两个qutrit之间的量子关联关系，并在室温下观察到两个qutrit系统的纠缠。特别地，研究团队证明，在qutrit的情况下超越纠缠的非经典相关关系是成立的。这些结果表明，NV色心是进一步研究高维量子关联等基本属性的强大平台：例如，量子关联的本质、它们与量子叠加和非局部性的关系等。

此外，qutrit系统在QIP中拥有优势，对QIP的关键程序进行实验研究是必要的。NV色心是一个天然的高维系统，即使在室温下也有很长的相干时间。然而，在大多数研究中，它被用作量子比特，这确实限制了它的潜力。此次工作促进了NV色心作为一个高维系统来执行量子计算和量子传感任务。“NV qutrit系统可能在高维量子信息处理中发挥重要作用：进一步，将在量子比特之上耦合两个NV色心作为qutrit，尽管这仍然存在挑战。”

论文链接：

[1]https://arxiv.org/abs/2208.05618