作為量子通信、量子計算和量子精密測量等技術的重要資源，量子糾纏的相關研究一直是國際科技界激烈競争的焦點。量子導引是一類特殊的量子糾纏，由于具有方向性和不對稱性獨特性質，近年來備受關注，與其相關的理論和實驗研究發展迅速；與此同時，具有Wigner負性的非高斯量子态也是一類重要的非經典态，是連續變量系統中實現通用量子計算的重要資源，雖然制備難度大，但具有廣闊的應用價值。最近，人們發現利用量子導引的非局域效應，通過在被導引方施加本地操作可以在導引方遠程制備出具有Wigner負性的量子态。面向構建量子網絡的實際需求，如何在多用戶量子系統中遠程制備、度量Wigner負性成為亟待解決的關鍵科學問題。

近日，beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、“極端光學創新研究團隊”何瓊毅教授和龔旗煌院士課題組與法國索邦大學Nicolas Treps教授研究組合作，基于多模連續變量系統，從定量的角度研究了多用戶場景中Wigner負性的遠程制備和分配機制，展示了量子導引在多用戶間制備Wigner負性中不可替代的作用（圖1），并通過構建Coffman-Kundu-Wootters（CKW）型約束關系，揭示了Wigner負性資源無法在各用戶間自由分配，嚴格證明了産生的集體Wigner負性總是大于等于個體資源的和；此外，對于減光子這類典型的非高斯操作，研究結果指出遠程産生的Wigner負性大小可以完全由系統初始量子态的純度刻畫，并提供了一種更便捷的度量方法。

圖1基于量子導引遠程制備非高斯态示意圖。

（a）具有高斯量子導引的初态；（b）在被導引方Alice處做本地操作後，導引方Bob處量子态由高斯初态變為具有Wigner負性的非高斯态。

在理論研究取得突破後，何瓊毅、龔旗煌課題組随即與山西大學光電研究所蘇曉龍教授研究組進一步合作，基于雙模EPR糾纏光場首次實現了遠程制備具有Wigner負性的非高斯态，驗證了量子導引和産生的Wigner負性之間的定性、定量關系。實驗原理和實驗裝置如圖2所示。将制備的高斯EPR糾纏光場通過損耗信道分别傳輸給Alice與 Bob，二者分别利用平衡零拍探測系統重構EPR糾纏态光場的協方差矩陣，檢驗其所具備的高斯量子導引能力。随後，Alice将其收到的光場反射約4%，經過濾波系統後進入超導納米線單光子探測器，實現減光子操作。當單光子探測器接收到一個光子時，表明Alice處的減光子操作成功，Bob端的量子态塌縮為具有Wigner負性的非高斯态，實現非高斯态的遠程制備。通過調控Bob端的信道傳輸效率，實驗驗證了僅在Bob具有對Alice量子态的高斯量子導引能力時，Bob端才可以獲得具有Wigner負性的非高斯态。此外，聯合研究團隊在該工作中也展示了遠程産生的Wigner負态在量子精密測量中具有優越的計量能力。

圖2（a）遠程制備具有Wigner負性非高斯态的實驗原理圖;（b）實驗裝置圖。

量子糾纏和Wigner負性都是量子世界的内禀屬性，上述研究成果展示了它們之間存在更深層的聯系，不僅可以豐富我們對量子力學基本原理的認識，也為未來構建具有豐富量子資源的量子網絡提供了理論基礎與實驗支持。該系列工作的理論部分以“遠程制備Wigner負性的分配與度量”（Distribution and quantification of remotely generated Wigner negativity）為題，2022年3月2日在線發表于《npj-量子信息》（npj Quantum Information），beat365官方网站特聘副研究員項玉、2018級博士研究生劉殊恒為共同第一作者，何瓊毅為通訊作者；實驗部分以“基于量子導引遠程制備Wigner負性實驗”（Experimental demonstration of remotely creating Wigner negativity via quantum steering）為題，2022年5月17日在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters），劉殊恒與山西大學光電研究所博士研究生韓冬梅為共同第一作者，何瓊毅與蘇曉龍為共同通訊作者。

上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金，以及beat365長三角光電科學研究院、山西大學極端光學協同創新中心等支持。

論文原文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41534-022-00533-3

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.200401