中国科学技术大学郁司夏、孙亮亮、周祥与电子科技大学王子竹、宁波大学张成杰、常州工业职业技术学院宋永顺合作，针对独立量子比特间的量子关联，发展了一种强有力的非线性分析框架，实现了对这类量子关联的非凸结构的精确刻画，并揭示了其在量子信息任务中的关键应用。相关研究成果4月22日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
量子关联是量子理论区别于经典理论的核心特征，也是量子信息处理中的关键资源。然而，在实际实验中，关联的产生不仅受量子力学基本原理约束，还受限于实验资源（如系统维度）。对于独立的量子比特系统这一最基本的实验平台，其关联集合呈现本质的非凸结构，精确刻画此类关联集合，是深入理解量子基础特性与合理设计量子信息任务的中心问题。传统基于凸优化的线性分析工具显而易见地在这种情况下失效。
量子比特关联非凸结构示意图
针对这一根本局限，研究团队从不确定性关系出发，推导出一组量子比特间的贝尔型关联与制备-测量型关联特有的约束条件，精确描述了这类关联所构成集合的精细结构，建立了器件参数与量子关联的明确对应。具体而言：其一，相较于现有凸化方法，该框架可精确刻画关联集合的非凸特性——这正是有限维量子系统关联的标志性特征；其二，基于该架构提出的"基于关联的设备推断"协议，实现了从一般（非极值）关联统计中推断乃至唯一确定仪器参数，突破了传统自检测（self-testing）对极值关联的依赖；其三，利用推断出的设备信息可直接优化纠缠探测方案，经优化后部分定域关联亦可用于认证量子纠缠，为纠缠检测提供了新视角。
量子比特关联非凸结构的刻画及比较
鉴于当前主流量子实验平台——包括光子偏振、超导量子比特、囚禁离子及半导体量子点等——其物理实现本质上均可归结为量子比特系统，本工作为这些平台产生的量子关联提供了直接的分析工具，在量子随机数生成、纠缠验证等关键信息任务中具有重要的潜在应用价值。审稿人评价称，该工作“为独立量子比特关联表征和应用开辟了新的研究途径，是一项重大进展”。
本论文的第一作者是中国科学技术大学特任副研究员孙亮亮。该工作得到国家重大科技专项、自然科学基金，以及浙江省、四川省等的支持。
