我室杜江峰、荣星等人在高维量子关联研究领域取得重要进展，在金刚石固态自旋量子系统中开展了对高维量子关联的实验观测，揭示了高维量子系统中纠缠及量子失谐等非经典关联现象。该研究成果以“Experimental investigation of quantum correlations in a two-qutrit spin system”为题，发表在近期的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 129, 100501 (2022)]上。

量子关联作为一种无法用经典物理解释的关联现象，使得量子系统展现出许多不同于经典系统的独特行为。量化量子关联可以使用量子纠缠，但也有研究表明量子系统中可以存在纠缠以外的非经典关联，譬如量子失谐。由于高维量子系统希尔伯特空间的维度更多，在量子信息处理中具有众多优势，譬如在量子计算方面能有更高的效率和更好的灵活性；在量子通信中也展现出更大信道容量和更好的噪声容错；此外对于基础物理定律的检验，如贝尔不等式的违背等高维量子系统也拥有独特的优势。因此在高维量子系统中开展对于量子失谐的实验观测能促进高维量子系统研究的发展。但是此前高维系统中量子失谐的研究还仅限于理论分析。

图：Werner态量子纠缠和量子失谐随参数p的变化

在该工作中，研究人员使用金刚石氮-空位色心（NV色心）中的电子自旋和核自旋来构成双qutrit（三能级）量子系统，并对其中的量子失谐和量子纠缠开展了实验研究。研究人员在该系统中制备了一系列Werner量子态，精确测定Werner量子态量子失谐和量子纠缠的大小。如图所示，实验表明在特定参数区间内，Werner态的量子纠缠为零，但非零量子失谐依然存在。这是首次实验上揭示高维量子系统中存在纠缠以外的非经典关联。该工作也是首次将金刚石NV色心体系作为qutrit系统开展量子信息实验研究。

我室博士研究生伏月和刘文权为该文共同第一作者，杜江峰院士和荣星教授为共同通讯作者。该研究得到了中科院、科技部、国家自然科学基金委、安徽省和合肥市的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.100501