西安交通大学物理学院张沛教授课题组在高维量子测量的不相容结构研究方面取得重要进展，在理论上揭示了高维多测量场景的不相容结构复杂性，提出了判定不相容结构的新方法，并基于光场轨道角动量自由度搭建高维量子系统，实现了对多种不相容结构的实验观测。该研究成果以“Witnessing quantum incompatibility structures in high-dimensional multimeasurement systems”为题，于2024年11月8日发表在国际物理顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

量子不相容揭示了量子测量中存在的非经典性，描述了多个量子测量无法同时获得精确信息的现象，被认为是量子信息处理任务中的重要资源，在量子非局域性、量子非互易性、量子精密测量等领域有着重要应用。一对量子测量的不相容性已经在实验中得到了验证，然而，考虑到高维复杂的量子信息处理任务，其测量会出现部分不相容且部分可相容的复杂结构，表征和观测其中的不相容结构对于基础量子理论具有重要意义，并在理论构建与实验设计仍具有挑战。

此前，张沛教授课题组在高维量子系统信息处理领域取得了多项重要进展：利用多测量设置方法揭示了高维纠缠体系中更高的量子导引强度，实现从高噪声环境中提取高维导引[Phys. Rev. Lett. 128, 240402 (2022)]；提出了一种高鲁棒性和高准确性的EPR导引维度判定方法，为单方设备无关情况下对共享量子态的维度进行可靠而准确的认证提供了有效途径[Optica 9, 473 (2022)]；发展了新概念“真高维单向导引”以及刻画不对称导引结构的新方法，为高维量子系统的不对称场景导引判定以及度量提供了有效路径[Phys. Rev. Lett. 132, 210202 (2024)]。基于以上成果，研究团队对高维多测量场景的不相容测量结构进行了深入的研究，通过发展新的判定不相容结构的理论判据，利用光的轨道角动量搭建高维量子制备测量场景，揭示了高维量子系统中的测量不相容结构。

张沛教授团队首先在理论上提出了一种新方法来将高维量子系统中存在的复杂测量结构分解成更基础的成对可相容测量的集合，然后，违背可相容结构的测量只能展现出有限的噪声抵抗能力，因此可以构建噪声超平面来排除特定的可相容测量结构从而判定对应的测量不相容结构的存在。团队通过此方法给出了对称高维相互无偏基测量的真不相容结构的解析边界，非对称条件下任意高维测量的真不相容结构的数值边界，最后，团队基于光子轨道角动量自由度的高维系统实现了对特定量子不相容结构的捕获。该研究工作展示了高维量子系统中多测量场景的复杂结构，在高维量子信息处理任务中具有潜在的应用前景。

西安交通大学物理学院为该论文的唯一完成单位，西安交通大学23级博士生张啸林为论文的第一作者，张沛教授为论文的唯一通讯作者。

近年来，张沛教授课题组开展了高维量子纠缠、高维量子通信、高维量子测量、量子精密与光场调控等基础研究，主要包括：基于光场轨道角动量自由度的高维量子纠缠态产生，并实现高维量子导引特殊结构的验证；高维量子密钥分发的理论方案与实验验证；高维量子不相容结构的理论方案与实验验证；新型结构光场的产生、传输及检测等。在物理科学领域顶级期刊Phys. Rev. Lett.、Light-Sci. Appl.、Optica等发表一系列重要学术论文。研究工作得到国家级青年人才计划、国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持计划、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

论文信息：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.190202

张沛教授个人主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhangpei/