中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子力学基本问题研究方面取得重要进展。 该团队的李传峰、徐小野等人与斯德哥尔摩大学Yaron Kedem博士合作，首次提出并实验实现了多体非定域域波函数的直接测量。 研究成果于10月9日发表在国际权威期刊《Physical Review Letters》，并入选“Editor’s Recommendation”论文。 美国物理学会网站“物理新闻与评论”栏目以“直接测量纠缠态”为题专门报道了这一成果。

波函数是量子力学的核心概念之一。 无论是单体还是多体量子系统，其状态都可以完全用波函数来描述。 目前最常用的测量波函数的方法是量子态层析成像。 但是随着被测系统规模的增大，该方法的资源消耗呈指数增长。 2011年，科学家提出了一种基于弱测量和弱值（Weak Value）的单光子空间波函数直接测量方法，避免了量子态层析成像中复杂的重建过程。 然而，对于多体系统，尤其是包含纠缠的量子系统的波函​​数的直接测量，一直没有突破。 难点在于无法提取多体系统的非局部可观测量的弱值。

首次实现非局域可观测量的量子测量[Phys. 牧师莱特。 122, 100405 (2019)]，李传峰课题组与斯德哥尔摩大学Yaron Kedem博士共同发现了另一种实现多体系统局部可观测值之和模量（Modular Value）测量的方法 ，然后利用其与非局部可观测值的弱值的数学关系，直接给出后者的值。 该方法成功解决了多体系统非局域观测量的微弱值提取问题，可以方便地应用于多体非局域波函数的测量。 该课题组通过实验成功演示了利用双光子超纠缠直接测量双光子非局域波函数。 他们将两个光子制备到偏振态和路径分别处于最大纠缠态的超纠缠态，进而实现偏振态和路径的相互作用，最后通过计数直接测量两个光子的偏振态。 不同投影基础中的路径指针。 波函数。

该成果首次实现了对多体纠缠系统波函数的直接测量。 《Direct Measurement of Entangled States》一文评论说，这一成果为未来量子信息技术中大规模纠缠系统的检测提供了一种有效的方法（This demonstration may lead to more efficient methods for probing large entangled systems, as are imagined in 未来的量子信息技术）。 这项工作还阐明了波函数的直接测量技术来自弱值而不是弱测量，更重要的是，直接测量具有纠缠的多体量子系统的波函​​数证明这是一个纯粹的 量子技术，而不是基于经典的干涉过程。 这种方法为研究量子物理中的基本问题带来了新的思路，对推动量子信息技术的发展具有重要作用。

该论文的共同第一作者是中国科学院量子信息重点实验室博士生潘薇薇和特约副研究员许晓叶。 该工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省博士后创新人才支持计划的支持。

双光子非局域波函数直接测量实验装置示意图

来源：中国科学技术大学