西安交通大学物理学院张沛教授课题组在高维量子导引的不对称结构研究方面取得重要进展，在理论上揭示了高维量子导引不对称性的复杂性，并利用路径-偏振高维量子纠缠系统实现了对多种不对称导引结构的实验观测。该研究成果以“Observation of diverse asymmetric structures in high-dimensional Einstein-Podolsky-Rosen steering”为题，于2024年5月22日发表在国际物理顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）导引是一类特殊的量子关联性，描述了作用在纠缠粒子对中一个粒子上的局域测量能够非局域地影响另一个粒子状态的能力。与贝尔非定域性和量子纠缠不同，EPR导引从定义上具有独特的非对称性，甚至能够进一步导致单向导引，被认为是单方设备无关量子信息处理的重要资源。高维量子系统中的EPR导引已经在各种光子自由度中得到证明。然而，迄今为止单向导引仅在qubit-qubit或qubit-qutrit系统中得到了实验证明。考虑到高维量子系统中更复杂情况，表征和观测其中的非对称导引特性对于基础量子理论具有重要意义，并在理论和实验上仍具有挑战。

此前，张沛教授课题组基于双光子OAM自由度高维纠缠系统，利用多测量设置方法揭示高维纠缠体系中更高的EPR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)]，并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)]。基于以上成果，在本工作中研究团队通过发展新的理论判据，通过制备高保真度的路径-偏振高维纠缠态揭示了高维量子系统中更普适的不对称导引结构。

张沛教授团队与合作者首先在理论上提出了新的概念——真高维单向导引，即在一个导引方向上量子态显示出更高的导引维度，而在另一个方向上则不能。然后，通过发展两种导引维度的新判据，提供了一种方法来度量两个导引方向上导引维度的不对称性。这些不对称导引结构明显区别于对称导引和标准单向导引，例如，从Alice到Bob是三维可导引的，但相反从Bob到Alice是二维可导引的。在实验上，与中国科学技术大学柳必恒教授团队合作，利用光子的路径和偏振自由度产生了双光子三维（qutrit-qutrit）混态实现了这些不对称导引结构的实验观测。该研究工作突出了高维量子系统的复杂性和丰富性，在非对称高维量子信息任务中具有潜在的应用前景。

图(a)高维单向量子导引新结构；(b)基于路径-偏振自由度高维纠缠系统的实验观测装置

西安交通大学物理学院为该论文的第一完成单位，西安交通大学20级博士生瞿睿（现新加坡国立大学博士后）和中国科学技术大学博士生张超为论文的共同第一作者，张沛教授和中国科学技术大学柳必恒教授为论文的共同通讯作者。

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、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；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://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.210202