量子纠缠是量子力学中一种独特的现象，描述了两个或多个粒子之间存在的特殊关联，使得对其中一个粒子的测量结果会即时影响到另一个粒子的状态，即使它们相距甚远。这种现象超出了经典物理学的解释，并且是量子力学最具代表性的特性之一，被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。

近日，物理科学与技术学院张成杰教授课题组与德国锡根大学Otfried Gühne教授率领的研究团队携手，在量子纠缠这一前沿领域取得了突破性进展。他们创新性地提出了基于算符空间施密特分解的真多体量子纠缠目击者方法，这一成果不仅超越了传统基于保真度的检测方法，更通过详尽的量子态分析实证了其显著提升量子纠缠检测效能的能力。此项开创性研究，以“Analyzing Quantum Entanglement with the Schmidt Decomposition in Operator Space”(用算符空间中施密特分解分析量子纠缠)为题，荣耀刊登于国际顶尖学术期刊《Physical Review Letters》上，于2024年7月26日正式发布，标志着量子纠缠研究迈向了新的里程碑。

该文章由物理科学与技术学院的张成杰教授与锡根大学的Sophia Denker博士共同担任第一作者，展现了跨校合作的卓越成果。同时，张成杰教授与锡根大学的Otfried Gühne教授作为共同通讯作者，为本文的研究方向、数据解读及学术质量提供了坚实的保障。物理科学与技术学院作为本次研究的首要贡献者与完成单位，彰显了其在相关领域的深厚实力与卓越贡献。

量子纠缠检测与估计问题是量子信息理论基本问题之一。量子纠缠作为区别于经典物理的显著特征，其在量子通信、量子计算、量子精密测量等诸多领域都发挥着重要的作用。量子纠缠研究的主要方向是纠缠的检测与度量估计，为了充分利用这一庞大的量子资源就必须发展优于现阶段星空在线,星空在线(中国)量子纠缠检测的办法。现阶段常用的纠缠检测方法利用”基于保真度的纠缠目击者“作为纠缠检测的一种手段，但该方法多有赖于”高保真度”量子态这一条件。

为了优化现阶段这类需高保真度的纠缠目击检测方法，张成杰教授课题组与Otfried Gühne教授课题组合作提出了一种基于算符施密特分解的方法来分析量子纠缠。施密特分解是分析纯双粒子量子态时的常用工具，但它也可以应用于双体可观测量。该方法引出了新颖的纠缠目击者，其性能优于基于保真度的目击者，并且在分析多粒子纠缠时能容忍显著更多的噪声。该方法计算简单，还可以用于量化纠缠或其维度。

基于算符空间中施密特分解的纠缠目击者新方法提高了多量子比特态纠缠检测的噪声鲁棒性。对于五种不同的态，显示了基于保真度的纠缠目击者所需的可见度和基于算符空间中施密特分解的纠缠目击者所需的可见度。

描述纠缠态是量子信息科学的核心。用于检测纠缠态的特殊可观测量，称为纠缠目击者，是完成这项任务的常用工具。通常，这些纠缠目击者的构建依赖于以下观察结果：与某个目标纠缠态具有高保真度的量子态也是纠缠的。在表1中，基于保真度的纠缠目击者需要可见度pfid ≥ 0.620才能检测到3量子比特W态全局纠缠。而基于算符空间中施密特分解（OSD）的纠缠目击者所需的可见度降低到pOSD ≥ 0.556，这证明了OSD目击者优于基于保真度的构建。OSD目击者也可应用于各种其他多量子比特态。这包括3量子比特的均匀超图态和4量子比特的W态、Dicke态以及单态。对于所有这些态，它们的噪声鲁棒性都能被显著提高。

该研究成果得到国家自然科学基金(11734015)、合肥国家实验室科技创新2030---“量子通信与量子计算机”重大项目(2021ZD0301200)、宁波大学王宽诚幸福基金等的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.040203