南京大学陈伟教授和邢定钰院士课题组发PRL

近日，南京大学物理学院陈伟教授和邢定钰院士课题组在固态准粒子纠缠态的制备和探测方案研究中取得重要进展，提出利用电子、空穴自由度作为物理比特，从而克服了传统方案对难以实现的分束器的依赖，大大简化了固态电子纠缠态的测量方案。相关研究成果以「Entanglement of Nambu Spinors and Bell Inequality Test with-out Beam Splitters」为题发表于Physical Review Lettters。

Phys. Rev. Lett. 129, 120507 (2022)

量子纠缠是一种非局域的量子关联，是量子计算、量子信息等前沿技术的物理基础。纠缠态可以被不同物理体系和物理自由度承载，因此对纠缠态的研究遍布了物理学各个分支。在光学系统中，操控纠缠光子已经成为一项成熟的技术。与之形成鲜明对比的是固态电子系统，由于其物理环境的复杂性，对电子（准粒子）纠缠态的探测在经过了20多年努力后依旧充满挑战，其主要障碍之一是传统方案中要求的旋量分束器难以实现。

课题组创新性地提出，利用电子、空穴自由度或南部旋量（Nambu spinor）来编码纠缠态，成功摆脱了对旋量分束器的依赖，大大简化了纠缠态的测量方案。物理上，由于电子和空穴具有相反电荷，南部旋量可以通过局域电荷值直接反映出来，无需像对自旋、轨道自由度的测量那样需要分束器装置。该优点导致新方案中纠缠态测量所需要的电流关联函数从传统的4个变为1个，不但大大简化了测量过程而且提高了测量精度。基于上述物理概念，该工作提出了具体物理装置（图1a），并对纠缠态制备手段、量子门操控方案（图1b,c）、具体物理参数和测量步骤都进行了详细的计算和讨论。理论预言了该新型纠缠态的物理信号可以在很大参数区间内违背贝尔不等式（图2）。该工作为固态准粒子量子纠缠的研究开辟了一条新途径，该纠缠态的构建利用了多体费米子基态，因而是凝聚态物理所特有的，并没有光学中的对应物。文章审稿人对该工作给予了很高评价：「This is perhaps one of the most easily implementable proposal to detect entanglement in solid state systems, and thus has huge potential impact.」

图1：（a）装置图；（b）南部旋量在布洛赫球上的表示，北极和南极分别对应于电子态和空穴态；（c）超导体和门电压引起南部旋量的有效旋转。

图2：贝尔不等式可以在虚线以内范围内被破坏，（a, b）分别对应不存在和存在退相干的情形。

课题组博士后罗威为文章第一作者，陈伟教授为通讯作者，邢定钰院士深度参与并指导了该工作，其他合作者包括南京大学物理学院耿浩研究员和苏黎世联邦理工学院Gianni Blatter教授。该工作得到国家自然科学基金面上项目、优秀青年科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项、南京大学「登峰人才支持计划」和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持，在此表示感谢。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.120507

--南京大学