量子纠缠是指两个或多个粒子之间存在的一种非局域的量子关联。这种关联与粒子之间时空间隔大小无关，并能违反基于经典局域实在论的贝尔不等式。2022年的诺贝尔物理学奖颁发给Alain Aspect，John F. Clauser和Anton Zeilinger三位物理学家，表彰他们在"纠缠光子实验、违反贝尔不等式和开创量子信息科学"等方面所做出的卓越贡献。
长期以来，纠缠被认为是产生非局域性及非局域多粒子干涉的必要条件。近期，南京大学物理学院的马小松、祝世宁团队实现了一种新型的非局域量子干涉。与以往纠缠多光子参与的非局域干涉不同，在该工作中，光子的各个自由度之间均不存在纠缠。实验中，该团队只对光子的分离态进行调控和测量，成功实现了非局域量子干涉。该团队还进一步利用未探测光子的相位变化，调控其余被探测光子的量子干涉，展现出与基于纠缠的非局域干涉迥然不同的特性。
图1：未探测光子的多光子量子干涉实验。a. 四光子阻挫干涉实验方案。b. 四光子阻挫干涉实验设备示意图。
这一工作基于非线性干涉仪（如图1a），采用平行入射和反射的泵浦光（如图1b），在同一块晶体上实现四次自发参量下转换产生光子对（如图1a中光源I，II，III和IV）。光源I和II产生的两路闲置光子路径进行了交换，而信号光子路径保持不变。根据路径全同性原理，即干涉光子的时空重合导致产生光子对光源不可分辨的性质，当光源I，II的下转换光子与光源III，IV的下转换光子在时空上都不可分辨时，即可实现四光子阻挫干涉。原则上，测量的两端（路径1、2与路径3、4）可以时空分离，使得光子相位测量基矢的选择事件与光子探测事件满足类空间隔条件。更重要的意义在于，实验中多个光子处于简单的粒子数直积态，在整个非局域干涉过程中，没有纠缠的参与，却复现了前人认为只有纠缠才能产生的多光子干涉现象。
图2：未探测光子调控下的三光子干涉结果。
更进一步，该团队还通过改变一个独立未被探测光子（图1a中路径2）的相位，调控另外三个被探测光子（图1a中路径1、3、4）的干涉，结果如图2所示。这与基于纠缠的非局域干涉有本质上的不同。对于多光子纠缠态而言，在有未被探测光子存在的情况下，其余的光子处于混态，无法产生依赖于未探测光子相位的干涉。该团队的这一工作成功展示了一种无纠缠参与的多光子非局域量子干涉，并且实现了未探测光子调控下的多光子干涉。该工作赋予了我们对非局域干涉来源的新认知，并有望在量子增强的生物成像与遥感技术等方面有重要应用。
该工作近期以"Multiphoton nonlocal quantum interference controlled by an undetected photon"为题发表在知名期刊《Nature communications》上。南京大学物理学院博士研究生钱锴一和王凯博士为文章的共同第一作者。南京大学马小松教授、王凯博士和德国马普所Mario Krenn教授为该文章的通讯作者。南京大学祝世宁院士对该工作进行深入指导。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术计划、中央高校基础研究基金和量子科学技术创新计划等基金项目的资助。同时这项工作得到了南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、中国科学技术大学量子信息和量子物理协同创新中心和合肥国家实验室的支持。
课题组链接：http://qoqi.nju.edu.cn/